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铝合金比强度高、耐腐蚀,具有良好的加工成形性,热处理后强度高,是理想的汽车轻量化材料。但是铝合金的强度随温度升高急剧降低,不能满足现代动力装备的要求。因此,迫切需要对铝合金的耐热性进行研究。在铝合金中引入热稳定性良好的耐热相是提高其高温强度的有效途径,而耐热相的强化效果通常受耐热相构型的影响。基于此,本文应用合金化、熔体处理和变形处理的方法对耐热相的构型进行调控和优化,并对不同耐热相构型的强化效果进行了分析。在此基础上,制备了具有网状构型增强结构的新型Al-Si多元合金,有效提高了合金的高温强度,并对共晶Si与耐热相构筑的网状构型进行了三维表征,从构型连通率的角度出发,研究并揭示了网状构型的高温强化机制。主要研究内容如下:(1)Al-Si多元合金中Fe/Ni耐热相的优化研究微量的Fe元素可以优化Al-12Si-4Cu-2.5Ni-1Mg-xFe多元合金中的耐热相构型。其中Fe含量为0.15%时,Fe元素以针片状β-Fe相的形式出现在合金中,同时鱼骨状的δ-Al3CuNi相离散地分布在α-Al基体上;Fe含量增加至0.6%时,Fe元素主要存在于块状的T-Al9FeNi相中,且合金中的主要耐热相以连续或半连续的网状构型分布在α-Al晶界处;进一步增加Fe含量至0.8%,针片状的β-Fe相再次出现,且T-Al9FeNi相以粗大的条带状形貌分布在α-Al基体上。通过高温拉伸测试发现,耐热相以离散型分布和条带状分布时对高温强度贡献较小,而网状或半连续网状分布的耐热相对高温强度贡献最大,使试验合金的350℃抗拉强度可达107MPa,比离散型耐热相强化的合金提高22%;但前两种构型对合金的塑性贡献较大。这源于网状或半连续网状分布的耐热相能有效强化高温下的晶界,有利于合金高温强度的提高;而另外两种构型对晶界的整体强化能力较弱,因此在获得较高塑性的情况下合金的强度相对较低。通过合金化的方法制备了 Al-12Si-4Cu-1Mg-0.6Fe-xNi,x=2、2.5、3 和 3.5 四种材料。在试验合金中,Ni含量的变化没有引起耐热相种类的变化,但耐热相的构型发生了变化。Ni含量为2%时,合金中主要耐热相的尺寸较小且分布较离散;Ni含量增加至2.5%时,合金中的主要耐热相呈现出连续或半连续的网状构型;进一步增加Ni含量至3.5%,合金中的富Ni相变得粗大且呈聚集分布。测试发现,网状或半连续网状构型有利于耐热相发挥自身良好的热稳定性,使合金达到最大的高温强化效果,350℃抗拉强度可达103 MPa,比耐热相呈离散分布的合金提高24%。(2)Al-Si多元合金耐热相构型调控及其对高温拉伸性能的影响在网状构型耐热相强化Al-Si多元合金的基础上,为进一步研究耐热相构型对铝合金高温强化效果的影响,对耐热相构型进行调控,分别制备离散型、连续或半连续网状构型和流线型分布的耐热相,并研究了不同耐热相构型的高温强化机制和对α-Al基体变形行为的影响。在网状构型耐热相强化的Al-12Si-4Cu-2.5Ni-1Mg-0.6Fe合金的基础上,通过熔体处理和提高凝固冷速的工艺抑制了初晶Si的析出,导致共晶Si大量形成且聚集分布,同时条带状的耐热相呈离散型分布状态;在多元铝合金Al-4Cu-2.5Ni-1Mg-0.6Fe中,耐热相相仍以网状构型分布在α-Al基体上;对多元铝合金进行变形处理,获得的合金中耐热相呈现出离散的流线型分布状态。研究发现,与其他构型相比,网状构型可以显著提高多元铝合金的高温强度,350℃抗拉强度可分别达103 MPa和94 MPa。这是因为网状构型的耐热相可以显著强化高温下的晶界,阻碍晶界的滑动,从而有效提高了合金的高温强度;同时,网状构型有利于α-Al基体的整体变形,使耐热相更好地发挥自身的高温强化效果,进一步增加了对合金高温强度的贡献。(3)Al-Si多元合金中耐热相与共晶Si的网状构筑及其对高温拉伸性能的影响网状构型的耐热相对Al-Si多元合金具有良好的高温强化效果,但当初晶Si和共晶Si聚集分布、耐热相粗化时会减弱网状构型的高温强化效果。通过优化Si相的网络结构、调控耐热相的构型可以构筑连通率更高的三维网络结构,从而实现对Al-Si多元合金的进一步强化。在 Al-9Si-6Cu-4Ni-1Mg 合金的基础上,制备了 Al-9Si-6Cu-4Ni-1Mg-0.6Fe 合金。Fe元素参与了合金凝固过程中很多相的析出,从而对耐热相网状构型的构筑产生了影响。研究发现,Fe元素的加入成功调控了耐热相的构型,使耐热相呈现出连续或半连续的网状构型,同时耐热相与共晶Si在三维空间中构筑的网络结构具有非常高的连通率,由82.43%增加至97.04%,合金350℃抗拉强度也由98 MPa提高至124 MPa。因此,高连通率的网状构型能有效强化高温下的α-Al基体,使材料的高温强度显著提高。试验合金在350℃的温度下热暴露200 h后,合金高温抗拉强度分别降低至73 MPa和80 MPa,延伸率由4%和2.7%提高到5%和3.8%。研究发现,热暴露降低了耐热相、共晶Si和析出相对合金的高温强化效果,导致合金的高温强度大幅度降低;在拉伸过程中耐热相与α-Al基体的互相脱附,共晶Si球化减少的网络连接性,以及α-Al晶内析出相的粗化共同弱化了对合金高温强度的贡献。