初生富Mn相的组织调控及其对耐热铝合金力学性能的影响

摘要

本文以Al-12wt.%Si-4wt.%Cu-2wt.%Mn新型耐热铝合金中粗大的初生富Mn相为研究对象，通过控制凝固冷却速度、添加Al-2La-1B中间合金细化剂以及添加合金元素Cr对初生富Mn相进行了组织调控。使用OM、SEM-EDS、TEM-EDS/SAD、DSC以及拉伸实验等分析测试手段研究了不同形态初生富Mn相的结构特征以及初生富Mn相组织调控对合金力学性能的影响。 通过控制凝固冷却速度，研究了凝固过程各阶段的初生富Mn相的晶体结构特征和相的出现顺序以及冷却速度对两种不同初生富Mn相的形成过程的影响。结果表明，该系合金在凝固过程中会出现的两种迥异的初生富Mn相，一种是细杆状Al13Mn4Si8相（简单四方结构，a=b=1.240nm，c=0.489nm），另一种是树枝状Al15Mn3Si2相（简单立方结构，a=1.253nm）。首次发现并确定了Al13Mn4Si8相。通过液淬实验组织观察证明了两种初生富Mn相之间存在包晶反应：L+Al13Mn4Si8→All5Mn3Si2，并且发现该反应受冷却速度影响很大，快的冷却速度抑制该反应，而慢的冷却速度促进该反应。 利用E2EM模型预测了LaB6相与初生Al13Mn4Si8相之间的位向关系，并考察了添加1.0wt.%的Al-2La-1B中间合金细化剂对合金中初生富Mn相组织特征以及力学性能的影响。结果表明，LaB6相与初生Al13Mn4Si8相之间具有良好的位向匹配关系，前者可作为后者的有效形核基底。1.0wt.%的Al-2La-1B中间合金的添加将合金中出现的初生富Mn相全部细化为短杆状或块状Al13Mn4Si8相，并且抑制了包晶反应的进行。但组织调控后合金力学性能并未得到改善。 系统考察了Cr的添加（0.5wt.%，1.0wt.%，1.5wt.%）对合金中初生富Mn相组织特征和力学性能的影响。结果表明，添加Cr能促进包晶反应，并且使All5Mn3Si2相得到明显细化。Cr含量为1.0wt.%时合金的强度达到最大，常温和350oC高温抗拉强度分别为279MPa和106MPa，但当合金中Cr含量增加到1.5wt.%时，合金中的铸造缺陷明显增加，力学性能下降。

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