半固态加工al-cu合金的组织与性能的分析

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1、半固态加工Al-Cu合金的组织及性能研究细化晶粒的基本途径在于尽可能地提高晶核的形成速率，并同时减小晶体的成长速度，以使大量晶核在没有显著长大的条件下便相互干扰而凝固结束。以下简[2]单地介绍几种可用的方法或措施。1.2.1孕育法或变质法这种方法是向液体加入所谓孕育剂或变质剂，既可以直接加，也可以涂料的方法涂于模壁。变质剂分两类：一是促进形核，一是阻止长大，而以前者为主。促进形核的变质剂其作用也不完全相同，有的只是形成大量固体小质点，分散悬浮在液体中，直接充作非均匀形核的基底，以此来达到细化晶粒的目的。例如，低合

2、金铸钢中用钛铁粉、过渡金属或其碳化物；硅钢中用TiB2；奥氏体钢中用氮化铬、金属粉；铜合金中用过渡金属的氮化物、硼化物以及Mo、Nb、W、V；铝合金用TiB2、AlB2、Nb等等都属于这一类。有的是进而利用变质剂与合金液体发生包晶反应而生成更多的晶核，来达到细化晶粒的目的。例如：当铝合金中加入适量的钛时。在铝结晶前，便形成TiAl3相，它以细小的枝晶形式悬浮在液体中，或附着在模壁上，当冷却到一定温度时，TiAl3可与液体发生包晶反应(L+TiAl3→Al)，Al便依附着TiAl3而结晶，而把TiAl3部分包围起来

3、，逐步吞食着TiAl3。这一方面TiAl3对Al起了非均匀形核作用，另一方面TiAl3在消失过程中的碎枝残屑可被液体对流带到其它部位，而形成更多的核心。其它如，铜合金中加入铁或者铁合金[L(Cu)+Fe→Cu]，镁合金中加入锆[L(Mg)+Zr→Mg]等都是利用包晶反应而起到显着细化晶粒的效果。阻止晶粒长大的变质剂是利用这样一个原理，这种变质剂在液相中可以完全溶解，但在固相中几乎不溶解，所以一旦液相发生结晶，变质剂中的元素就立即富集在晶体相界面上的液相中，这样，晶体长大就困难了。例如Al-Si合金中加入少量的钠盐

4、（NaCl或NaF），钠便溶解在液相中，但钠几乎不溶于硅晶体，所以当硅晶体形成时，钠便立即被排出去富集在硅晶体周围的液相中，这就阻止了硅晶体的长大，并使共晶Si形貌得到改善。1.2.2快速凝固法加快液体的冷却可以增加结晶时的过冷度△T，一般来说，△T越大，则晶核的形成速率N和晶体的长大速度G也越大，但前者比后者随△T的变化更大，如图1.1。因此，增大冷却速度可以细化晶粒。实际上一般采用的加强冷却的方法是设法使模壁激冷，或加强模壁的冷却能力。例如，水冷模壁，或在模壁上嵌镶导热板等都是行之有效的方法。如果能够设法使整

5、个铸件差不多同时获得很大的过冷度，那么就可以一举两得，既细化了晶粒又可使整个组织均匀一致。2硕士学位论文但是不管哪种快速冷却法都将受铸件体积这个因素的很大限制。因此，它们都有一定的局限性。NG形核率Ｎ长大速度G过冷度△T图1.1金属结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系1.2.3加强液体运动法电磁搅拌、机械振动、加压浇铸以及离心浇铸等方法都是生产上行之有效的细化组织的方法。这些方法都在于增强液体流动，使液体与已生成的枝晶之间产生剪切作用，加快枝晶的剥落，增加枝晶的繁殖。此外，振动还可以使形核率N增大从而达到细化晶粒

6、的作用。以上分别讨论了三种细化晶粒的基本方法，下面将分别具体讨论通常采用的细化晶粒的加工方法。1.3固液混合铸造众所周知，材料的显微组织越细小，则其力学性能越好，即塑性、韧性增强，强度增大。因此，人们采用一系列的新方法来细化材料的显微组织。例如上述的挤压铸造、半固态加工、悬浮铸造等。这些加工方法都具有细化合金显微组织，提高材料的机械性能的作用。近年来，半固态加工和喷射沉积等一系列新技术在合金和复合材料的制备[3]中得到了很大的应用和发展。简而言之，半固态加工主要是通过对合金熔体进行机械或电磁搅拌，使熔体产生部分固

7、相粒子，进而对这种糊状熔体进行铸造[4]或各种热加工的一种材料制备新工艺。喷射沉积主要是通过对合金熔体进行气体或离心雾化，使其产生固相和液相颗粒，两相颗粒同时沉积成材料坯件，再[5-7]进行后续加工的一种材料制备工艺。陈振华教授根据这两种工艺均存在固相和液相混合的基本特点，发明了一种新的材料制备工艺——固液混合铸造。3半固态加工Al-Cu合金的组织及性能研究1.3.1固液混合铸造工艺所谓固液混合铸造主要是在过热的合金熔体中加入大量的同种合金粉末或润湿性好的异种合金粉末，在保护气氛下进行强烈均匀搅拌，获得微晶组织，

8、然后[3,8]进行铸造或各种热加工的一种材料制备方法。此方法与半固态加工类似，可以将固液混合的金属浆料直接进行铸造；或者将冷凝下来的固液混合铸造的坯料进行重新加热到半固态，再进行各种后续热加工。固液混合铸造的工艺过程原理图[3]见图1.2。图1.2固液混合铸造工艺流程图1.3.2固液混合铸造的研究现状从固液混合铸造方法提出至今已经有几年的时间了，在这几年时间内，陈振华教授