高强铝合金半固态压铸热裂倾向研究

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Al-Zn-Mg-Cu系高强合金由于具有强度高、韧性好的特点,具有非常广阔的应用前景。但该类合金难以通过传统铸造方式成形,主要难点在于铸造过程中易产生严重的热裂缺陷。半固态流变压铸技术具有铸件组织均匀细小,充型时不易卷气,凝固收缩小且高压补缩等特点,为高强铝合金采用铸造生产提供了可能。本文以7A04铝合金为研究对象,对不同浆料制备、压铸工艺参数下铸件的热裂倾向、孔洞缺陷、微观组织和力学性能进行了探究,建立其热裂行为与工艺参数的关系。希望能为开发低热裂倾向的高强铝合金半固态成形工艺奠定基础,促进半固态成形技术产业推广。通过在不同条件下制备7A04铝合金浆料并进行压铸,研究了浇注温度及电磁搅拌工艺参数对压铸件的热裂倾向、微观组织、孔洞缺陷和力学性能的影响,并通过数值模拟对试验进行分析。结果表明:随着浇注温度的增加,铸件热裂倾向呈先增大后减小的趋势,650℃时热裂倾向最低,HTS值为3。同时在650℃时铸件组织晶粒呈细小等轴状,孔隙率最低且力学性能最佳。浇注温度变化影响铸件组织及析出相形态,细小均匀的晶粒和更少的析出相能有效降低热裂倾向,670℃和630℃时铸件晶粒分别呈粗大枝晶、等轴状。在浇注温度低于650℃时,铸件组织中存在长条状富Fe相,促进热裂纹的扩展,加剧热裂倾向。Pro CAST数值模拟表明,铸件平行段热应力最大且凝固速度最快,过渡段应力变化速率剧烈且在充型时产生回流现象,容易产生热裂缺陷。对浆料进行电磁搅拌可以使在浆料中形成的富Fe相破碎细化,减少铸件组织中析出相聚集,同时细化晶粒,提高铸件力学性能,降低热裂倾向。研究了增压比压和压射速度对7A04铝合金流变压铸件热裂倾向的影响,并对铸件断口形貌、微观组织、孔洞缺陷及力学性能进行分析。结果表明:随着增压比压的提高,铸件热裂倾向呈先减小后增大的趋势,在增压比压为87 MPa时热裂倾向最低,HTS值为15。随着增压比压的提高,铸件组织晶粒得到细化,力学性能提高,同时能够对铸件凝固进行有效补缩,减少疏松缩孔存在,提高铸件密度降低孔隙率。但增压比压为94MPa时,凝固时铸件受增压冲击力过高,使组织开裂加剧热裂倾向。随着压射速度增加,铸件热裂倾向也呈先减小后增大的趋势,在压射速度为V4时热裂倾向最低,HTS值为8。当压射速度从V1提高至V4时,铸件组织更加均匀细小,孔隙率降低,力学性能得到提高,有效降低铸件热裂倾向。但当压射速度为V5时,晶粒尺寸和孔隙率反而提高、铸件力学性能下降,热裂倾向加剧。研究了工艺参数对7A04铝合金压铸件热裂影响的机理,工艺参数主要是通过影响缺陷、析出相来影响热裂,铸件组织晶粒细小均匀,低的孔隙率和更少析出相有利于降低热裂倾向。7A04铝合金铸件热裂受孔洞缺陷影响最大,孔洞与裂纹源的形成密切相关。铸件组织中存在以T(Al Zn Mg Cu)相为晶间搭桥结构加强晶间结合力,减少热裂,聚集的富Fe析出相弱化晶界,促进热裂纹扩展,提高热裂概率。压铸件热裂断口在宏观上表现为脆性断裂,微观上存在韧窝。其断裂过程可分为三个阶段:Stage I阶段为中心脆性断裂;Stage II阶段为脆-韧性结合过渡;Stage III阶段为试样边缘韧性断裂。
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