Sc、Zr、Ti对Al-1Si-1Cu-0.5Mg合金蠕变性能的影响

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Al-Si系合金是制造发动机活塞的首选材料之一。目前,通过合金化以及热处理手段对Al-Si合金的研究主要集中在使用传统的T6热处理工艺,研究合金化对合金中金属间化合物的影响,而对α-Al基体的影响研究较少。另外合金中复杂多样的第二相的存在使研究单一因素对Al-Si活塞合金的工作复杂化。因此,本文以马勒活塞合金中α-Al基体为研究对象,制备接近α-Al基体成分的合金Al-1Si-1Cu-0.5Mg,并利用Pandat相图以及DSC曲线设计合金的T6热处理工艺。在此基础上添加Sc、Zr、Ti微量元素,并结合不同的热处理制度,来研究Sc、Zr、Ti对Al-lSi-1Cu-0.5Mg合金微观组织以及拉伸性能,高温蠕变行为的影响规律,主要结论如下:(1)微量元素Sc、Zr、Ti的添加对合金的晶粒尺寸都会产生影响,Sc、Zr、Ti协同添加对组织细化作用均大于单独添加的细化作用。以Sc、Zr、Ti三者协同添加细化作用最强,平均晶粒尺寸为113μm,和未添加Sc、Zr、Ti合金相比减少了 139μm。(2)单独以及复合添加Sc、Zr、Ti的合金在铸态、固溶态、时效态下的硬度较基体合金相比均提高。以Sc、Zr、Ti三者协同添加的合金硬度最高,时效态下硬度达到148HV,和铸态基体合金相比提高了 69HV。同时Sc、Zr、Ti三者协同添加的合金强度最高,室温抗拉强度从未添加Sc、Zr、Ti的313MPa提升至365MPa,延伸率从1.55%提升至5.1%;高温抗拉强度从77.5MPa提升至105MPa,延伸率从1.9%提升至8.6%。(3)复合添加Sc、Zr、Ti的合金经高温短回归再时效工艺以及高温热暴露之后,合金抗拉强度降低,抵抗变形的能力减弱,但可塑性增强,抵抗变形的能力减弱,表现出良好的冲击韧性。回归再时效工艺下高温延伸率由T6态下的8.6%提升至34.7%。随着热暴露温度的上升,合金抗拉强度由33.7MPa升至44MPa,延伸率也由350℃下的30.5%上升到34.7%。(4)微量元素Sc、Zr、Ti的加入不同程度细化晶粒,促进了晶界的滑动。合金中析出的Al3Ti,A13(Sc1-xZrx),A13(Sc1-xTix)等粒子起到第二相增强的作用。但添加合金元素形成的沉淀相对晶内位错运动的阻碍带来的强化远远不及晶粒细化之后晶界滑移带来的变形,因此Al-lSi-1Cu-0.5Mg合金经添加Sc、Zr、Ti元素后合金的蠕变行为更容易发生。添加Sc、Zr、Ti元素的合金经高温短回归再时效工艺以及高温长时热暴露处理之后,合金蠕变过程不包含稳态阶段,直接由减速阶段进入加速阶段。
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