【摘 要】
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Al-Cu-Mn-Ti合金的低密度、高比强度、优异的耐磨性使其获得了广阔的应用前景,但是粗大α-Al晶粒使得力学性能严重降低,限制了其在航空航天及交通运输等领域的应用。复合材料孕育剂对α-Al晶粒具有优异的细化效果并可以改善其力学性能以及孕育剂中的陶瓷颗粒可以对铝合金产生第二相强化。本实验原位合成了两种包含多相增强颗粒的新型复合材料孕育剂。研究了两种复合材料孕育剂的微观形貌和组织结构对于力学性能的
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51871087）；
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Al-Cu-Mn-Ti合金的低密度、高比强度、优异的耐磨性使其获得了广阔的应用前景,但是粗大α-Al晶粒使得力学性能严重降低,限制了其在航空航天及交通运输等领域的应用。复合材料孕育剂对α-Al晶粒具有优异的细化效果并可以改善其力学性能以及孕育剂中的陶瓷颗粒可以对铝合金产生第二相强化。本实验原位合成了两种包含多相增强颗粒的新型复合材料孕育剂。研究了两种复合材料孕育剂的微观形貌和组织结构对于力学性能的影响,阐明复合材料孕育剂对Al-Cu-Mn-Ti合金的细化强化机制。实验结果显示,Ti B2-Ti C-Ti N/Al薄带孕育剂对Al-Cu-Mn-Ti合金的细化和强化有积极影响。当添加量为1 wt.%时表现出的综合性能更为优异。Al-Cu-Mn-Ti合金晶粒的平均尺寸从135μm左右细化为大约28μm。力学性能表现为极限拉伸强度从195.8MPa增加到了228.0 MPa,延伸率从11.5%增加到了13.7%。Al N-Ti C-Ti N-Al3Ti/Al复合薄带孕育剂对于Al-Cu-Mn-Ti基体合金晶粒尺寸同样具有显著的细化效果。当添加量为3 wt.%时表现出的性能更为优异。Al-Cu-Mn-Ti合金晶粒的平均尺寸从大约133μm细化到了约30μm。力学性能试验结果表明,Al-Cu-Mn-Ti合金材料的显微维氏硬度、极限拉伸强度和延伸率分别从82.1 HV、196 MPa和13.6%提高到98.9 HV、220MPa和17.4%。基于Al N-Ti C-Ti N-Al3Ti/Al复合孕育剂变质细化Al-Cu-Mn-Ti的组织与性能的实验结果,本文分析讨论了复合孕育剂薄带对于Al-Cu-Mn-Ti合金的细化强化机制。研究结果表明复合材料孕育剂对Al-Cu-Mn-Ti合金的细化强化机制为:主要包括由于自生陶瓷颗粒作为基体合金凝固时异质形核核心引起的变质细晶强化、增强颗粒与基体的热膨胀系数不同所引起的热膨胀系数失配强化、硬质增强颗粒与位错运动相互作用所造成的Orowan强化以及增强体颗粒与基体合金之间的载荷转移的载荷传递强化。其中Orowan强化和热膨胀系数失配强化对基体强度都有较大的贡献。这主要是因为陶瓷颗粒与Al的热膨胀系数不匹配,孕育处理之后Al-Cu-Mn-Ti合金在凝固过程中会在颗粒周围形成几何上必要的位错和位错环。另外,由于陶瓷增强颗粒的弹性模量大,外部位错在运动过程中无法切穿陶瓷增强颗粒,只能形成位错环绕过。位错的增多会使得位错之间相互作用发生缠结形成胞状结构,从而增加了合金抵抗变形的能力,提高了铝合金的力学性能。
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