超聲壓力作用下高Fe、Si含量Al-Cu-Mn合金的微觀組織和力學(xué)性能研究

超聲壓力作用下高Fe、Si含量Al-Cu-Mn合金的微觀組織和力學(xué)性能研究Al-Cu合金是一類典型的高強(qiáng)韌鋁合金,具有較高的力學(xué)性能、良好的加工能力、優(yōu)良的耐熱性能等,在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高性能鑄造Al-Cu合金往往需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素,如Fe和Si。因此被迫大量使用低雜質(zhì)含量的電解鋁。隨著廢雜鋁存量的日益增加,雜質(zhì)控制難度顯著增大,為了實(shí)現(xiàn)廢鋁的循環(huán)再利用,順應(yīng)綠色鑄造、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展趨勢(shì),開發(fā)高性能、低成本的新型鋁銅合金材料,探索相應(yīng)的材料制備與成形新技術(shù),對(duì)拓展Al-Cu合金的應(yīng)用具有重要意義。本文以高Fe、Si含量的鑄造Al-5.0Cu-0.6Mn合金為研究對(duì)象,基于超聲處理、中和變質(zhì)和擠壓鑄造等手段,利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、差熱分析（DSC）、X射線衍射（XRD）、和同步輻射X射線斷層掃描（SRXCT）等手段,分析了Si含量、擠壓壓力、超聲處理以及壓力超聲復(fù)合作用對(duì)合金微觀組織和力學(xué)性能的影響,重點(diǎn)探討了合金中的富鐵相形成特點(diǎn)及其作用。論文的主要結(jié)論如下:（1）Si含量和擠壓壓力顯著影響鑄態(tài)和熱處理態(tài)高鐵含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微觀組織和力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe含量為0.7%和1.2%時(shí),隨著Si含量由0%增加到1.1%,鑄態(tài)合金中的富鐵相由Al₃（FeMn）和或Al₆（FeMn）轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe;在重力鑄造下,合金的強(qiáng)度隨著Si含量的增加而降低,而在擠壓鑄造下則隨著Si含量的增加而緩慢增加,主要原因是壓力使合金中的孔洞消失,細(xì)小的α-Fe起釘扎作用阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。（2）熱處理態(tài)合金中,在0.7Fe和1.2Fe合金中,隨著Si含量由0%增加到1.1%,富鐵相由α（CuFe）向α-Fe轉(zhuǎn)變。合金強(qiáng)度隨著Si含量的增加而增加,主要原因是Si促進(jìn)細(xì)小緊湊結(jié)構(gòu)α-Fe的形成和析出彌散分布的T相。75MPa擠壓壓力下,T5熱處理狀態(tài)的Al-5.0Cu-0.6Mn-0.7Fe-0.5Si合金獲得較佳的綜合力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為370Mpa、270MPa和8.7%,相對(duì)常規(guī)高強(qiáng)韌鑄造鋁合金,F該e合、S金i對(duì)雜質(zhì)含量的要求大幅降低。（3）超聲處理和擠壓壓力對(duì)Al-5.0Cu-0.6Mn-0.6Fe的微觀組織和力學(xué)性能有顯著影響,對(duì)比研究重力場(chǎng)、超聲場(chǎng)、壓力場(chǎng)和超聲壓力復(fù)合場(chǎng)下合金的組織和性能發(fā)現(xiàn),超聲壓力復(fù)合場(chǎng)能明顯細(xì)化合金中的α-Al枝晶,Al₂Cu和富鐵相,消除擠壓鑄造出現(xiàn)的雙峰組織,去除合金中的氣孔,獲得均勻且細(xì)小的組織。超聲壓力復(fù)合場(chǎng)下合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別比相應(yīng)壓力場(chǎng)下合金提高8.1%、5.5%和33.6%,比重力鑄造合金提高64.5%、58.7%和311.9%。（4）復(fù)合場(chǎng)處理時(shí)間影響Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微觀組織。分別超聲處理30s和120s后發(fā)現(xiàn):120s超聲處理后,超聲壓力復(fù)合場(chǎng)中的合金組織更均勻細(xì)小,原因可能是在更長的超聲處理時(shí)間下,復(fù)合場(chǎng)下的合金冷卻速度高于其他單一場(chǎng)作用下的合金冷卻速度。（5）澆注溫度對(duì)超聲壓力復(fù)合作用Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe合金微觀組織有一定影響。在含0.5Fe和0.5Si的合金中,當(dāng)澆注溫度為710oC時(shí),合金中的晶粒尺寸和二次枝晶的尺寸最小,合金的力學(xué)性能最佳。（6）采用同步輻射X射線技術(shù)三維重構(gòu)了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中富鐵相和Al₂Cu的形貌特征。發(fā)現(xiàn)富鐵相和Al₂Cu都是空間相互連通的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.0Fe合金中富鐵相和Al₂Cu的表面平均曲率都比0.5Fe合金的高。1.0Fe合金中富鐵相的節(jié)點(diǎn)長度比0.5Fe合金的長,而Al₂Cu的節(jié)點(diǎn)長度變化與之相反。這是因?yàn)镕e含量增加,富鐵相由緊湊的漢字狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀,而Al₂Cu的形成受合金凝固后期α-Al和富鐵相共晶反應(yīng)的影響。（7）采用同步輻射X射線技術(shù)三維重構(gòu)了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中孔洞的形貌特征。合金中的孔洞主要有等軸狀相互連通的收縮凝固孔洞和近球狀的氫氣孔?？锥吹那蛐味戎饕植荚?.4-1.0之間,等效直徑分布在10-20μm之間,其球形度與等效直徑遵循冪函數(shù)關(guān)系。1.0Fe合金中孔洞的平均曲率正值比0.5Fe合金的多,且收縮凝固孔洞平均曲率正值較高的部分與共晶反應(yīng)接觸,而平均曲率負(fù)值較高的部分與鋁枝晶尖端接觸。（8）對(duì)超聲壓力復(fù)合場(chǎng)下高Fe、Si含量Al-5.0Cu-0.6