受控扩散凝固法制备A390铝合金微观结构及其形成机制研究

摘要

受控扩散凝固（Controlled Diffusion Solidification，CDS）是一种将不同成分的两种前驱合金熔体分别进行熔炼后进行混合制得目标合金的工艺方法，旨在控制混合时熔体温度、溶质扩散行为，进而改善合金微观组织结构。此次试验重点研究了CDS法制备A390过共晶多元合金的工艺方法和组织特征，取得了以下研究成果：
　　完成了CDS法制备过共晶合金的工艺路线设计及组织结构特征的研究。混合时，保持前驱合金2温度（T2）不变，初生Si的晶粒尺寸随着前驱合金1混合温度（T1）的升高而逐渐变大。当T1为730 oC、740 oC、750 oC、770 oC时，初生Si的晶粒尺寸分别为28.91μm、34.12μm、47.34μm、59.17μm。而共晶Si的长宽比也随着T1的提高而增加，分别为6.2、7.1、9.0、14.2。而进行P、Sr变质处理的初生Si晶粒尺寸为48.19μm，共晶Si长宽比5.2。对于晶粒尺寸均匀性分布而言，CDS法制备的铸锭中初生Si晶粒尺寸主要集中在0——60μm内，分布比较分散。变质处理后的初生Si尺寸主要分布在40——60μm内，晶粒尺寸分布更为集中。而相比于变质处理，CDS铸件中的初生Si晶粒在空间的分布略显不均匀。选取T1为740℃的CDS与变质处理进行拉伸性能测试，CDS的抗拉强度为179.42 MPa，变质处理的为175.07 MPa。
　　考察了熔体混合行为及其对微观组织形成的影响规律。将快速冷却的CDS混合铸锭分为三个区域，混合正中A区域，混合边缘B区域和远离混合区域的C区域。通过观察A区域，发现该区域内，两熔体是以“条纹”互相渗透入另一熔体中，经过冲击、碰撞，“条纹”易破碎为“小液滴”。CDS整体的混合过程实际是一个个“液滴”的相互融合，使高温熔体中的 Si整体过冷，产生爆发式形核。A区域初生Si最为常见的是八面体结构。Si晶粒<100>生长速度快，为八面体的六顶角，<110>方向形成八面体棱边，八面体的八个面为{111}晶面，由于凝固时间短暂，晶粒各方向生长均衡。当远离混合区域时，凝固方式接近于常规铸造，过冷度小，溶质有较长时间进行扩散，固液界面前沿易出现溶质富集区域以及贫瘠区域，初生Si八面体结构最终不均匀生长，某几个方向突出生长，呈现各种粗大复杂结构。而CDS混合区域共晶Si的生长受到抑制，Si原子无法大量堆积，被α基体包围，最终呈粒状、短杆状形貌。
　　进行了CDS法合金制备工艺优化研究。将CDS混合后熔体分别在640℃进行1、3、5 min的保温。统计结果表明无论是初生Si晶粒尺寸还是晶粒空间分布，保温过后的CDS组织均变得更加均匀。通过力学拉伸性能测试发现CDS保温3min后的试样抗拉强度为218.79MPa。而将CDS试样进在500℃固溶8 h后立即淬火，在170oC进行12 h时效处理，得到的铸锭组织中共晶Si粒状化明显。将保温3min后的CDS试样在该工艺下进行热处理，其抗拉强度达到了229.18MPa，工艺优化效果良好。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 过共晶Al-Si合金

1.3 受控扩散凝固

1.4 合金凝固过程

1.5 课题研究的目的与内容

2 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 CDS工艺流程

2.4 试样制备及微观组织观察

2.5 DSC差示扫描分析

2.6热处理工艺

2.7 力学拉伸性能测试

2.8 过共晶Al-Si合金中组织的一些参数测定

3 受控扩散凝固（CDS）对A390合金组织与性能的影响

3.1传统铸造工艺及变质后的过共晶Al-Si微观组织

3.2受控扩散凝固工艺（CDS）制备A390合金微观组织

3.3 不同混合温度以及变质处理的合金微观组织比较

3.4不同混合温度以及变质处理的晶粒微观形貌

3.5 力学拉伸性能测试

3.6 本章小结

4 CDS改善A390合金组织机理研究

4.1 CDS改善组织机理探讨

4.2 CDS过程的热力学分析

4.3 CDS混合区域微观组织研究

4.4 混合区域组织微观形貌

4.5 CDS微观组织形成机制探讨

4.6 本章小结

5 CDS工艺方法的优化

5.1 保温对CDS微观组织影响

5.2 改变混合顺序对微观组织影响

5.3 热处理对微观组织影响

5.4 本章小结

6 结论及工作展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录