超声场对Al-Si活塞合金凝固过程的影响

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1、密级无分类号TG21XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:超声场对Al-Si活塞合金凝固过程的影响作者：董雄博指导教师：李建平教授郭永春教授申请学位学科：材料学2018年5月8日超声场对Al-Si活塞合金凝固过程的影响学科：材料学研究生签字：指导教师签字：摘要随着时代的发展，内燃发动机逐渐向高功率、高热效、低排放的方向发展，活塞的工作负荷越来越高，对活塞材料的要求也越来越苛刻，传统工艺制备的铝合金活塞材料已经很难满足这些要求。超声场作为一种有效外场处理技术，对金属显微组织细化

2、和性能提高有着显著效果。本文以经过P盐变质的Al-11.5Si-4Cu-2.6Ni-1Mg-0.45Fe近共晶多元Al-Si活塞合金为研究对象，其主要非平衡显微组织包括α-Al、初生硅、共晶硅以及金属间化合物相，重点研究超声场对近共晶多元Al-Si合金凝固特性、显微组织及合金析出相析出机制的影响。通过金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等分析手段，分析了超声场对活塞铝合金凝固过程的作用机制，确定了最佳超声工艺。主要研究结果如下：(1)熔体超声处理可以提高初生硅的析出温度，缩短共晶

3、时间，同时随着超声功率的增加、超声施加温度的提高、超声施加时间的延长初生硅、共晶硅以及合金耐热相逐渐细化，α-Al相由树枝晶逐渐转化为等轴状，当熔体温度为720℃、施加3000W功率超声120s时，初生硅析出温度最高为588.4℃，共晶时间最短为14.5s，相对于未施加超声场时初生硅析出温度提高3.5%，共晶时间缩短64%，此时，组织细化效果最佳，初生硅等积圆直径从21.6μm减小到15.4μm；共晶硅长度由19.6μm减小到8.45μm，宽度由0.92μm增加到1.91μm，合金耐热相彼此连接形成很多封闭或半

4、封闭共晶团分布在合金基体中。(2)在凝固过程不同阶段施加不同功率(0～3000W)超声场对活塞合金凝固特性及显微组织影响显著。全凝固过程中超声场处理时，随着超声功率增加，初生硅析出温度及共晶温度降低，共晶时间缩短，在超声功率为3000W时，初生硅析出温度最低为560℃，共晶时间最短为9.7s，相对于未施加超声场初生硅析出温度降低2.5%，共晶时间缩短73%，此外初生硅等积圆直径由25.85μm减小到16.7μm；共晶超声场处理时对共晶时间有显著影响，随着超声功率增加，共晶时间缩短，超声功率为3000W时，共晶时

5、间最短为13.5s，相对于未施加超声场缩短63%，同时初生硅等积圆直径由25.85μm减小到18.6μm。(3)通过液淬快冷技术模拟合金的凝固过程，发现不施加超声场时，初生硅在600℃～590℃生成并长大；共晶硅和α-Al在565℃～541℃析出长大；在552℃析出T-Al9FeNi相，546℃时析出针状富稀土相，541℃析出δ-Al3CuNi相；536℃析出θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相。施加超声场可以提高初生硅、共晶硅及T-Al9FeNi相析出温度，减小初生硅尺寸，使长针状的共晶硅变为短棒

6、状，促使T-Al9FeNi相由块状转化为网状；此时针状富稀土相在600℃时开始析出，随着合金液温度的降低，针状富稀土相通过包晶反应转化为δ-Al3CuNi相开始消失；此外超声场作用下δ-Al3CuNi相、θ-Al2Cu相与Q-Al5Cu2Mg8Si6相在520℃析出。关键词：铝硅合金；超声场；凝固；显微组织；组织演变EffectofUltrasonicFieldonSolidificationProcessofAl-SiPistonAlloyDiscipline:MaterialsScienceStudentS

7、ignature:Supervisor:AbstractWiththedevelopmentofthetimes,theinternalcombustionenginegraduallytohigh-power,highheatefficiency,lowemissiondirection,thepiston'sworkloadismoreandmorehigh,therequirementsofthepistonmaterialareincreasinglyharsh,thetraditionalproces

8、sofaluminumalloypistonmaterialhasbeendifficulttomeettheserequirements.Asaneffectivefieldtreatmenttechnique,ultrasonicfieldshavearemarkableeffectontherefinementofmetalmicrostructureandtheimprovem