高压凝固Al-Cu合金微观组织及力学性能研究

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Al-Cu合金是一种高强韧铝合金,具有优异切削加工性能、密度小、塑性好等优点,被广泛应用于汽车、航天航空等领域。但是Al-Cu合金的结晶温度范围宽,以体积凝固方式凝固,宽的结晶温度区间使得晶体在形核和长大容易形成粗大晶粒,晶粒相互连接,形成骨架。未凝固的液体被分割成互不相通的小熔池,凝固终了时由于得不到补缩而形成缩松、缩孔以及造成严重偏析。差的铸造性能和严重的成分偏析很大程度降低了铸件的力学性能,严重制约着Al-Cu合金的应用。在高压凝固过程中,凝固压力能大大降低原子扩散系数,促进形核且抑制晶核长大;此外,大的冷却速率使晶粒尺寸更加细小,从而起到改善微观组织和提高力学性能的作用。基于此,本课题采用高压凝固方法制备不同成分Al-Cu合金,主要研究不同压力(GPa)对合金凝固过程及其微观组织和力学性能的影响规律。研究表明,常压和高压凝固下不同成分Al-Cu合金均由α-Al和Al2Cu两相组成,随着凝固压力的增加,更多Cu原子固溶进α-Al基体中,其α-Al相晶面衍射峰不断右移。Al-5Cu合金第二相Al2Cu由条絮状(常压)转变为颗粒状(1GPa),且尺寸由30μm减小到2.5μm,最后完全固溶到α-Al基体中;Al-15Cu合金共晶组织由枝晶状(常压)转变为球状(3GPa),尺寸由10μm减小到3μm;Al-33Cu合金的二次枝晶臂由51.2μm(常压)减小到23.1μm(3GPa);对于Al-40Cu合金来说,与常压凝固相比,初生Αl2Cu相尺寸由29μm降低至19μm,共晶Αl2Cu相由7μm减小到3μm。随着Cu含量的增加,其合金维氏硬度不断增大;对于同一成分Al-Cu合金,随着凝固压力的增加,维氏硬度也是不断增加。对于亚共晶Al-Cu合金,凝固压力提高了应变速率敏感性,降低了活化体积,合金强度和塑性同时增加。与常压凝固共晶合金相比,3GPa凝固共晶合金应变速率敏感指数m略有减小,活化体积减小,共晶合金的塑性降低,强度增加。此外,与常压凝固过共晶相比,3GPa凝固过共晶合金的应变率敏感指数m减小,同时,活化体积显著增加,表明凝固压力的增加降低了其合金的强度和塑性。极化曲线分析结果表明,与常压凝固相比,3GPa凝固压力下不同成分Al-Cu合金自腐蚀电流密度和腐蚀速率都减小,合金容抗弧半径变大,合金抗腐蚀能力增加。此外,常压和3GPa凝固压力下,随着Cu含量的增加,合金的阻抗谱中容抗弧半径不断减小,电荷转移电阻不断减小,电极反应更容易进行,合金耐腐蚀性变差。与常压凝固相比,3GPa凝固亚共晶合金的点蚀坑较浅,层片状共晶组织腐蚀较轻,过共晶合金腐蚀表面仅形成了大的腐蚀裂纹,并没有发生剥落腐蚀。
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