耐热低膨胀高硅铝合金及其超声半固态成形技术的研究-材料加工工程专业论文.docx

摘要高硅含量（20%～26%Si）的过共晶 Al-Si 合金具有耐热耐磨性好，热膨胀系数 低，比强度高等优点，是交通运输及航空领域用耐热耐磨零件的理想材料。但是传 统工艺制备的高硅铝合金组织中初晶 Si 较为粗大，合金性能较差且加工困难。为了 制备满足使用性能要求的高硅铝合金材料，近年来的研究主要集中在合金元素的加 入，新型变质剂及成形工艺的运用方面。本文主要针对如何进一步提高铝合金的高 温力学性能及降低热膨胀性能的问题展开研究，开发新型的铝合金材料及其成形加 工技术，以满足当前对耐热低膨胀材料的迫切需求。研究开发出一种新型高硅多元铝合金材料（简称 SPR 铝合金）。研究并优化了熔 炼、变质等制备工艺，系统研究了合金元素 Mg、RE 及其相互作用对高硅多元铝合 金组织和性能的影响。结果表明，Mg 含量的增加在显著提高 T6 热处理 SPR 铝合金 性能的同时，也会促进更多针状 RE 化合物的生成。RE 对共晶 Si 有较好的变质效果， 但过量 RE 导致针状 Al2Si2RE 化合物的生成，显著降低合金强度。通过性能比较分 析，得到优化的 SPR 铝合金成分为：Al-20Si-2Cu-(0.4~0.6)Mg-1Ni-0.5Mn-(0.3~0.6)RE。 采用优化的 P+RE 复合变质工艺制备的 SPR 铝合金，室温抗拉强度为 295MPa，300℃时的抗拉强度可达 154MPa ，在 25 ～ 300 ℃区间的热膨胀系数（ CTE ）值为 17.4157×10-6(1/℃)，布氏硬度为 128，各项性能均优于 A390 铝合金。开发出 SPR 铝合金半固态浆料的高能超声振动制备技术，能够将高硅铝合金中 初晶 Si 进一步细化至 20μm 以下，有利于提高材料性能。重点研究了超声振动温度 范围对浆料质量的影响，分析比较了不同工艺条件下，初晶 Si 的晶粒尺寸和圆整度。 得到最佳的超声制浆工艺参数为：振动温度范围 710～690℃，振动功率 1200w，振 动时间 120s，样杯保温温度 620℃左右。所制得的浆料中，初晶 Si 的平均晶粒直径 为 17μm 左右，平均形状系数为 0.58 左右。此外，超声振动处理对 SPR 铝合金半固 态浆料凝固组织中的初晶 Si 和 RE 化合物也有较为明显的细化作用。系统研究了压铸工艺参数对 SPR 铝合金半固态浆料的充型能力及其直接流变压 铸成形试样组织和性能的影响，获得了优化的半固态压铸成形工艺。结果表明，超 声振动制备的 SPR 铝合金半固态浆料具有好的充型能力，充型蛇形试样的最大长度 可达 2118mm。SPR 铝合金半固态浆料直接流变压铸的试样组织致密，可通过热处理 提高合金性能，而传统液态压铸试样存在很多气孔，不能进行热处理。流变压铸 SPR 铝合金的室温和 300℃高温抗拉强度分别为 320MPa 和 167MPa，25～300℃区间的CTE 值为 17.3706×10-6(1/℃)，布氏硬度高达 140，较 A390 铝合金和液态压铸及传统 工艺成形得到的 SPR 铝合金性能更好。为探索提高铝合金的高温耐热、耐磨性能的新途径，开展了含 Fe 高硅铝合金的 研究。将超声处理引入富 Fe 相的细化中，首次系统研究了超声振动工艺参数对含 Fe 高硅铝合金中富 Fe 相的影响，阐述了超声作用条件下 Fe 相形貌改变的机理。试验 结果表明，超声振动和少量 Mn 的复合作用即可有效消除含 2%Fe 的 SPR 铝合金中 的长针状 β-Al5FeSi 相，使富 Fe 相转为以细小块状 δ-Al4FeSi2 相析出。超声振动产生 的声空化和声流效应降低 β 相的析出温度，促进 δ 相的析出并使之细化。Mn 元素则 主要通过参与富 Fe 相的形成来发挥其中和作用。处理后的含 Fe 合金比 SPR 铝合金 具有更好的热膨胀性和耐磨性。将超声振动制备 SPR 铝合金半固态浆料和挤压铸造工艺相结合，制备了致密性 好的典型耐热耐磨零件——轿车空调压缩机斜盘。分别探讨和比较了传统液态挤压 和超声半固态流变挤压成形的斜盘组织中，非平衡 α-Al 相和初晶 Si 的差异及形成机 理。通过设计铜模快冷试验，揭示了挤压成形过程产生的快冷是传统液态挤压成形 SPR 铝合金中非平衡 α-Al 枝晶析出的主要原因。而半固态挤压件中近球状 α-Al 颗粒 的析出是超声作用条件下产生的局部高压和半固态制浆过程所致。超声半固态挤压 可得到较传统工艺致密度更高，组织更细小的 SPR 铝合金零件。关键词：高硅铝合金，初晶 Si，金属间化合物，高能超声振动，半固态，充型能力， 流变成形AbstractHypereutectic Al-Si alloys with high silicon content (20%~26%Si),