文獻翻譯 復合1001 安子強3100706020

1、本 科 畢 業(yè) 論 文 翻 譯J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 翻 譯Thixoforming of EN AW-2014 alloy at high solid fraction高固相分數EN AW-2014鋁合金的觸變成形學院名稱：材料科學與工程學院專業(yè)班級：復合材料科學與工程學生姓名：安子強 指導教師姓名：陳剛 指導教師職稱：教授二一四年三月高固相分數EN AW-2014鋁合金的觸變成形摘要：EN AW-2014擠壓型鋁合金塊在615時觸變成形，而固相分數預計只要達到80%的溫度即可。在加熱和觸變成形溫度之間，也就是介于550和6

2、00時會發(fā)生再結晶過程，遠高于A12Cu的沉淀物堵塞晶界而達到的固相線溫度。由此得到的等軸多面晶粒浸潤后變得越來越趨于球狀。在浸潤過程中，晶界布滿了硅，而固溶體基質逐漸從銅上脫落。晶界的組成變得更像低熔點的AlCuSi三元共晶體而非AlCu二元共晶體，這樣更有助于晶界的融化。接著液相滲透到微粒之間，或多或少的形成了晶粒網絡。615時，微形態(tài)特征在10分鐘就能產生，這正是形成半固態(tài)的必要條件。隨之而來的變化過程中，晶粒一直都呈半固態(tài)切沒有變形。觸變成形的EN AW-2014鋁合金塊部分在水中淬火之前，已經在500的溫度下均熱處理2個小時，在160時歷時8個小時的人工硬化使得其硬度高達160HV。

3、結果表明由再結晶重熔法生產的高強度EN AW-2014鋁合金原料將是觸變成形操作中一個令人滿意的方式。關鍵詞：鋁合金 ；觸變成形1.介紹Polmear(1996)的報道稱，2XXX系列鋁合金適合航空業(yè)多種結構的應用，該鋁合金把銅作為主要的合金添加劑，比重低而強度高。Hatch（1984）認為，不管是軋制的還是擠壓的產品，EN AW-2014鋁合金都是最重要的航空合金之一。Alumatter(2010)中提及了它的典型應用，包括重型鍛件，航空配件的金屬板和擠壓制品以及輪子和主要的結構構件。但是，Goncalvesetal(2002)爭辯說鋁-銅合金難以熱加工的原因在于其化學成分和顯微結構。故形成

4、半固態(tài)的這些合金變得相當誘人。半固態(tài)合金的形成由Flemmings(1991)提出，用于在工藝步驟縮減后，在低壓下制造復雜部分。Kirkwood(1994)和Fan(2002)評估了半固態(tài)制造過程的進步，并且提出了這項創(chuàng)新的近凈成型生產路線相較于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。Loue和Suery(1995)識別出了一些關鍵特征，能允許合金半固態(tài)的構成變?yōu)樵谝后w基質中攜帶有球狀晶粒的微觀結構，而這種微觀結構既能表現得像固體又能像液體一樣流動。Tzimas和Zavaliangos(2000a)認為這種材料的可成形性主要取決于穿透球狀晶粒的液相。Garat(1998)等人聲稱，諸如A356和A357之類的傳統(tǒng)鑄造

5、合金每年都被用來生產成百上千觸變成形的汽車零件。從更高水平工藝鍛造的鋁合金觸變成形的成分，雖然有很大的技術用途，但由于沒有Liu(2003)等人所討論的商業(yè)原料，這些合金現在還不能觸變成形。Pitts和Atkinson(1998)曾論述說，考慮到組成和擠壓系數不同的鋁坯的工業(yè)效用，生產鍛造鋁合金觸變成形原料的熱機械加工工藝很是吸引人。Tzimas和Zavaliangos(2000b)曾對比過噴射沉積、電磁攪拌法和熱機械加工法對鋁合金的球狀化處理程度，并得出結論，后者的等軸晶粒更適合半固態(tài)的過程。Lee和Oh(2002)曾用冷軋過的EN AW-6061鋁合金獲取可觸變成形的球狀微觀結構，來制造低

6、速電動交通工具懸掛部分的轉向設備。Birol(2007)也利用熱機械加工過程生產用于半固態(tài)形成的EN AW-6061合金觸變成形原料。Birol(2008a)發(fā)現， EN AW-6082合金的觸變成形性不如擠壓后的對應物，實際上，據Birol(2006,2008b)的研究，后者可用于優(yōu)質的觸變成形部分的制造。Birol(2009)表示，可以利用熱機械加工過程從鋁合金中生產出觸變成形的原料。表1 目前調查中所使用的EN AW-2014鋁合金的化學組成（wt%）據Young(1983)等人的演示，熱機械加工過程包括為獲取精細等軸微觀結構而進行的高度變形合金的部分熔融。一旦溫度超過了固相線的溫度，樹

7、狀微觀結構到球狀微觀結構的轉化就依靠再結晶過程和再結晶晶粒高角晶界低熔點階段的滲透。據Omar（2004）等人報道，以熱加工和冷加工為基礎（低于重結晶溫度）的RAP法（再結晶重熔法）工藝，作為熱機械加工過程兩個變體之一，現廣泛用于作業(yè)。擠壓的EN AW-2014合金被等溫地置于半固態(tài)溫度范圍內，而后壓成鋼模。2.實驗步驟直徑為154mm的EN AW-2014鋁合金坯料（表一）由垂直的空氣連續(xù)壓入設備產出。而后，坯料被加熱到460，被擠壓成直徑為40mm的長塊（擠壓率約15），然后回火。差示掃描量熱法（DSC法）被用來決定固相線和液相線溫度以及現在合金的凝固區(qū)間。經過切割，直徑3mm，重約30m

8、g的圓盤樣品被放置在用示差掃描熱量儀制造的充滿了保護氮氣氛的氧化鋁秤盤上。樣品在被加熱到450-700時，每分鐘下降2.5。由差示掃描熱量儀獲取的溫度曲線被用來計算不同溫度下的固液比值，從后者可以估計二次加熱實驗法的溫度。二次加熱實驗法被用來識別最適宜的熱處理參數，來獲取觸變的微觀特點。把所得長塊按40mm分段，然后再削減為直徑25mm。接著用中頻電感器（9.6kHz,50kW）把這些長合金塊在半固態(tài)溫度范圍里加熱。把K型熱電偶插入長合金塊中心直徑3mm的洞里來檢測其溫度，同時要采取措施把長合金塊快速加熱到半固態(tài)溫度范圍來確保重結晶的晶粒。平均的加熱速度是150/min.在這個溫度范圍里，長塊

9、被吸收長達10分鐘，這樣晶粒就能球化且在水里淬火。在實驗室中進行的觸變成形擠壓試驗如圖2所示.用氣缸來提供鍛造負荷（5ton-f max）和1m/s的最大ram速度。把從EN AW-2014鋁合金應用基制造的25mm*40mm的長合金塊放在有感應線圈的原位鍛壓機里加熱。這些長合金塊很快就會被加熱到觸變成形的溫度，在這個溫度下均熱處理5分鐘然后就被壓制成鋼模。把兩個K型熱電偶放在長合金塊中間至頂端10mm深的地方，來監(jiān)測正在加熱的長合金塊。按照金相學的慣例把淬火的樣品和觸變成形的部分分開并準備好，在用顯微鏡檢查之前先用Kellers溶液刻蝕。圖1 二次加熱實驗裝置組合示意圖（a）加熱裝置（b）水

10、淬裝置（c）如圖組裝3.結果和討論EN AW-2014鋁合金的微觀結構的典型就是被熱擠壓的，有細長的-Al晶粒和以擠壓加工方向結對的金屬粒子的鋁合金。這些特點證實了在壓鑄工藝中發(fā)生的變形在很大程度上被保留了，但卻沒有發(fā)生再結晶。除了固溶體鋁基體，還識別出兩種主要成分。雖然那些微粒額外地提升了鐵，錳和硅信號，但對微粒的定量能譜儀分析（EDS）只顯示了鋁和銅的峰值。通過對擠壓合金的XDR分析，量能譜儀分析結果被進一步地證實了，這些合金顯示了不溶立方c-Al12(Fe,Mn, Cu)3Si的布拉格反射和可溶的Al2Cu的中金金屬相。在圖像5a里顯示的是對現在合金融化間距的DSC（差示掃描量熱法）光譜

11、。據估計固體和液體溫度分別是528和648。雖然這個熔點范圍很寬大多數鑄造鋁合金都是這樣，由于大多數融化在超過600時發(fā)生，觸變成形的區(qū)間似乎很小。圖2 觸變成形擠壓機工作圖圖3 擠壓后EN AW-2014鋁合金棒微觀結構顯示圖：（a）橫斷面（b）縱切面圖4 擠壓后EN AW-2014鋁合金棒的X光射線衍射光譜圖5 （a）差示掃描量熱法掃描熔化間距（b）在熔化間距改變溫度內固液體積分數的變化Atkinson等人聲稱觸變成形應該要用原料中有30-50%液相的原料進行?，F在合金相應的溫度范圍是623-631。但是，液相分數在這個溫度范圍里對溫度變化的敏感度太高，以至于觸變成形不能正常進行。由于液相

12、分數對溫度變化的敏感度隨越來越低的半固態(tài)溫度而顯著的下降，較低的溫度更適合觸變成形。但是，要想達到最好的觸變成形過程，溫度到底要有多低，仍然有局限。因此，現在選擇了600和620來進行二次加熱試驗。液相分數在這個溫度范圍里對溫度變化的敏感度下降到約0.5-1，使得過程中對半固態(tài)長合金塊的處理更容易和穩(wěn)定。一定程度上，通過增加均熱時間，補償了這個溫度范圍里液相分數低下去的部分。圖6 半固態(tài)溫度范圍內不同溫度熱處理EN AW-2014鋁合金塊水淬微觀結構圖圖6中（a）400，（b）500，（c）550；（d）溫度維持在600的半固態(tài)均熱處理等溫線以外（e）5分鐘后（f）10分鐘后；（g）溫度維持在

13、610的半固態(tài)均熱處理等溫線以外（h）5分鐘后（i）10分鐘后；（j）溫度維持在620的半固態(tài)均熱處理等溫線以外（k）5分鐘后（l）10分鐘后。圖6顯示了在半固態(tài)溫度范圍里，擠壓EN AW-2014長合金塊加熱時的微觀組織演變。從加熱時進行水中淬火的樣本的微觀結構特點可以推斷出，只有溫度高于550，現在的合金才能進行再結晶。隨著在下一次600時二次加熱中被取代的無應變等軸晶粒被拉長，從低溫淬火的樣本并沒有再結晶。因此，毫無疑問重結晶在550-600時發(fā)生，遠高于固態(tài)溫度。這意味著實質上由于晶界金屬間化合物微粒的阻塞，再結晶過程發(fā)展的很遲緩。對預熱試驗中淬火的樣品的金相分析提供了可靠的證據來支持

14、這個描述?；w相亮度的變化導致了溫度的升高，金屬間化合物微粒的常數隨之減少，在550中淬火的預熱樣本為X射線衍射分析（XRD分析），顯示了Al2Cu和Al12(Fe, Mn, Cu)3Si混合物的布拉格反射，另一方面，在更高溫度里淬火的樣本的XDR光譜顯示了：只有Al12(Fe, Mn, Cu)3Si明顯的說明了Al2Cu不溶于高于550的固溶體基體。這個由在加熱中淬火的樣本的硬度測量值和半固態(tài)溫度下的均熱處理來證實。在550時，硬度劇烈增大后開始變小。雖然基質的再結晶被認為是導致軟化的因素，仍然可以用Al2Cu析出相來描述硬度的增加。因此可以得出結論，由于 晶界Al2Cu的堵塞，再結晶過程很

15、遲緩?？紤]到能譜儀軌跡中鋁和銅的峰值突出，可以推斷圖表9中在邊線處的大顆粒就是Al2Cu。這些邊界物曾在Al2Cu固溶時被放出。據Atkinson等人對7075合金的報道，鍛造鋁合金在高于固相線溫度時再結晶是很不尋常的。圖7 EN AW-2014鋁合金塊在半固態(tài)溫度范圍內熱處理后放入水中進行淬火處理的X射線衍射圖形（a）500，（b）550，（c）600圖8 EN AW-2014鋁合金塊在不同溫度和不同均熱時間（600，610，620晶軸破壞后）下的半固態(tài)溫度范圍內熱處理后放入水中進行淬火處理的硬度測定圖9 (a) 掃描電子顯微照相 (b) Al2Cu粒子穿過晶界的能譜儀（EDS）分析結果圖1

16、0 EN AW-2014鋁合金塊被加熱到550，600，610后立即放入水中進行淬火處理的掃描電子顯微照相。EN AW-2014鋁合金塊水淬后將溫度保持在610 C(d) 5 分鐘， (e) 10 分鐘。(f) 對晶界的能譜儀（EDS）分析（1）晶粒中心（2）顯示以上a-e幾個條件下。圖11 在晶界上共晶網絡在水中進行淬火處理前形成的液態(tài)膜圖12 本實驗中在不同半固態(tài)溫度下隨時間變化晶粒尺寸的變化圖13 (a)圖中為EN AW-2014鋁合金塊在被加熱到615 C并均熱處理5分鐘后的觸變成形，(b) A位置的微觀結構，(c)B位置的微觀結構再結晶在600時開始生產等軸多邊體晶粒，隨著均熱溫度和

17、時間的增加，晶粒越來越趨于球狀。晶粒中心和邊界的能譜儀分析顯示均熱處理時邊界布滿了硅，而此時銅的固溶體基體正逐漸脫落。據Mondolfo和Chuang等人提及這使得晶界的化學物質靠近Al-Cu-Si三元共晶體的晶粒。因而對硅到晶界的偏析促進了晶界的融化。低熔點共熔相在晶粒間均熱和滲透時融化，形成或多或少的淬火后的連續(xù)晶間網絡。這證明了形成共晶相是在進行半固態(tài)均熱處理后晶界上的主要特點（如圖11）.隨著均熱處理的時間和溫度的增加液相分數增加同時晶粒變粗。在620時晶粒細化最顯著，在10分鐘后形成平均粒徑在74 ± 5m的晶粒（如圖12）。在此期間，晶界也變得更厚。在特殊的均熱處理條件下

18、，由于共晶相對晶界的修飾不僅使液相分數增加也使-Al晶粒粗化。更粗的晶粒意味著更小的晶界面積總數和更少數量的單位共晶相晶界，因此是所有晶界間更容易全部浸潤。值得注意的是晶粒內部的液相體積分數隨著半固態(tài)均熱處理的溫度和時間的增加也在增加。這是由水淬前被稱為水泡的晶粒內組成的數量和大小證明的(圖6i和圖l)。這個過程隨著很明顯能溶解的微小析出相的出現而發(fā)生，在均熱處理中越來越輕(圖6jl)。由圖6可推斷出在610和620之間形成半固態(tài)微觀結構特點的必要條件是均熱時間足夠長使其允許顆粒球化。這也是鼓勵去了解觸變成形的鍛制合金即使它構成不那么完美的球狀晶如Tausig (2000)中圖示。EN AW-

19、2014鋁合金塊在620的溫度下均熱處理5分鐘和在610下均熱處理10分鐘的微觀結構是幾乎完全一樣的，所以建議均熱處理時用處理的時間和溫度來相互彌補另一項達不到的要求，溫度在610到620之間認為是觸變成形實驗最合乎標準的溫度。因此，最初一系列EN AW-2014鋁合金塊的觸變成形實驗的溫度在615，并且在此溫度均熱處理5至10分鐘。因此觸變成形部分顯微結構的特點具有半固態(tài)處理的特點。生產一塊EN AW-2014鋁合金塊在被加熱到615時進行觸變成形，并在此溫度下均熱處理5分鐘說明了這個成型過程的確發(fā)生在半固態(tài)，證明半固態(tài)沒有晶粒變形（圖13）。在615下觸變成形，從差示掃描量熱曲線上來看，液相占20%的比例顯然是達到了。然而，在這個溫度下可能有超過