喷射沉积连续挤压制备铝硅铜镍合金的微观组织演变机制

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Al-Si-Cu-Ni合金是一种性能优良的钎料合金,具有熔点低,湿润性好,流动性好等优点,大量应用于铝合金的钎焊中。传统铸造合金中粗大的骨棒状第二相组织会割裂铝基体,导致合金的脆性很大,严重影响合金的加工性能。喷射沉积连续挤压技术,简称Spray Conform(SC)是一种材料成形新技术,同时具备喷射沉积工艺与连续挤压工艺技术的优点,如工艺流程短、高效节能,制备合金的致密度高、组织细小均匀、无宏观偏析等特点。本文采用SC工艺制备了Al-10Si-10Cu-2Ni合金,并对该合金的组织演变和拉伸性能进行了深入研究。获得的主要结果表明,合金由Al、Si和Cu Al2(Ni)相组成。在SC工艺制备合金的过程中,第二相的尺寸被细化,例如Cu Al2(Ni)相从25μm细化到3μm,Si颗粒从20μm细化到5μm,其中,从粘附区到挤压区的这一步骤对晶粒的细化最为明显。不止如此,SC工艺的过程同样会改变合金中第二相的微观组织形态。例如,沉积区的第二相形态为鱼骨状,粘附区的第二相形态主要为蔷薇状,以及部分颗粒状和折叠的骨棒,挤压区的第二相形态为颗粒状。最后,由于首先沉积在轮槽中的坯料与位于中心区域的坯料之间的传热效率不同,导致沉积坯之间的冷却速率不同,因此存在粗晶区和细晶区。SC态合金的抗拉强度达到290 MPa,断裂伸长率为8.7%,由于基体中第二相分布小且均匀,其拉伸性能远远高于铸态合金。虽然SC态合金的性能远远优于铸态合金,但在SC工艺制备合金时也发现了些许不足,尤其是坯料的沉积环节。合金的雾化液滴会粘在双盘流型控制器上,随着旋转盘的旋转不断甩出,影响原料利用率的同时,甩出的坯料还会影响SC工艺的正常进行,当坯料在双盘上被甩到挤压靴时,已经凝固成片状的坯料会堵塞进料口。为了解决这一问题,舍弃了双盘流型控制器,改进了雾化装置,发明了气体辅助连续铸挤,简称gas assisted Castex(GAC),是一种新型的材料加工工艺。本文采用GAC工艺再次制备了Al-10Si-10Cu-2Ni合金,并对该合金的组织演变与拉伸性能与SC态合金进行了对比。主要结果表明,合金的相组成与SC态合金相同。在GAC过程中,第二相的尺寸同样被细化,与SC工艺相同,但各取样区的晶粒尺寸均小于SC态合金。例如合金杆中细晶区内Cu Al2(Ni)相的尺寸处于纳米级别,Si颗粒的尺寸也与之相似。由于GAC工艺改进了雾化器,在雾化过程中,冷却效果更好,而且材料的利用率大大提升。GAC态合金的抗拉强度平均为298 MPa,测试的最大值达到313 MPa,略高于SC态合金,这两种工艺制备的合金其拉伸性能远远高于铸态合金。合金的抗拉强度与第二相的分布息息相关,而第二相的分布受到GAC工艺制备合金时熔炼温度的影响。在四种过热度下制备的合金其第二相微观组织特征相似,尺寸差距不大,只是在基体中的分布不同。分界点在700℃,在700℃以下,合金中第二相为弥散分布,而高于700℃之后,合金中的液相增多,第二相发生聚集形成团簇,随着温度的增加,该现象愈发明显,而这显著影响着合金的拉伸性能。随着过热度的增加,合金的拉伸强度先维持不变,在熔炼温度达到700℃后明显减小,该温度下合金的抗拉强度最大,达到了315 MPa。而在800℃下其抗拉强度最小,为293 MPa。
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