施压熔体温度和高压对Al-Cu合金微观组织和力学性能的影响

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Al-Cu合金具有强度高、耐热性能好、加工性能优良等特点,在航空航天和交通运输等领域都有广泛的应用。但Al-Cu合金由于结晶温度区间较宽,在重力铸造条件下得到的铸件通常有较多的铸造缺陷。挤压铸造是一种先进的高效近净成形技术,它将铸造和锻造的特点融为一体,可获得晶粒细小、组织致密度高、材料性能高的毛坯或零件。施压熔体温度和压力是挤压铸造成形中的两个关键工艺参数:目前熔体温度往往侧重浇注温度的研究,而对施压时熔体的实时温度很少关注;针对挤压压力的研究目前多集中在100 MPa以下,而高于100 MPa的研究颇少。实际上这两个参数对挤压铸造产品都会产生重要影响,有必要进行针对性的深入研究。本文中以不同Fe含量的铸造Al-5.0Cu-0.6Mn合金为研究对象,基于重力铸造和挤压铸造工艺,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子探针(EPMA)、差热扫描分析(DSC)、显微硬度计、万能拉伸试验机等测试分析手段,研究了施压熔体温度对于合金微观组织和力学性能的影响,探究了施压熔体温度和压力对挤压铸造合金中双峰组织的影响,重点分析了常规挤压压力和高挤压压力对于不同Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金微观组织以及力学性能的影响。主要结论如下:(1)Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe-0.1Ti-0.1RE合金在其固液区间的不同温度下进行挤压,当施压熔体温度由590℃上升到650℃时,合金熔体的液相率不断提高,铸态合金的二次枝晶间距、第二相体积分数和缩松缩孔体积分数逐渐减少,但双峰组织中小晶粒的体积分数逐渐增多。铸态与T5热处理态合金的力学性能均随着施压熔体温度的升高而小幅度提升。(2)挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe-0.1Ti-0.1RE合金组织中存在一种大小晶粒交错分布的双峰组织现象,其中小晶粒尺寸均在100μm以下,而大晶粒的尺寸则超过300μm;随着施压熔体温度逐渐上升,合金双峰组织中的小晶粒的体积分数逐渐增加,同时合金中大小晶粒的Cu浓度差也随着熔体温度的上升而逐渐增大,合金成分偏析程度恶化;挤压压力逐渐增大时,合金双峰组织中的小晶粒体积分数也增加,组织均匀性下降。(3)挤压压力由0 MPa增大到100 MPa时,铸态合金的二次枝晶间距、晶粒大小、孔隙率、第二相体积分数和尺寸均减幅明显,但当压力继续由100 MPa增加到500 MPa时,合金的二次枝晶间距、晶粒大小、第二相体积分数和孔隙率呈小幅下降趋势,但合金的第二相尺寸减幅依然明显。(4)高挤压压力对不同铁含量合金中第二相形貌影响较为显著:在0 Fe的铸态合金中,第二相为θ(Al2Cu);在重力铸造时,θ(Al2Cu)相呈粗大网状,末端较为尖锐,当挤压压力逐渐增大到500 MPa时,θ(Al2Cu)相基本呈圆整的球状;0.5 Fe的铸态合金中,在500 MPa的高挤压压力下,富铁相由100 MPa挤压压力下的分枝多的汉字状变成尺寸较小且分枝较少的短枝状;1.5 Fe的铸态合金中,随着挤压压力的增大,合金中大部分针状Al6(FeMn)相都转变为汉字状Al6(FeMn)相。(5)铸态和T5热处理态的Al-5.0Cu-0.6Mn-xFe合金,合金的力学性能随着挤压压力的增加而增加,但在0100 MPa阶段增幅明显,而在100500 MPa阶段增幅不大。高挤压压力下合金伸长率提升幅度均明显大于强度的提升幅度,且合金中Fe含量越高,效果越明显。
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