ZL114A合金组织与力学性能的综合优化

论文摘要

ZL114A合金是一种高强韧铸造Al-Si合金,广泛应用于航空、航天等领域。随着科技的迅速发展,航空、航天产品对ZL114A合金性能的要求越来越高。目前ZL114A合金砂型铸件的抗拉强度要求大于320MPa,延伸率大于4%。而我国许多航空企业实际生产的ZL114A合金砂型铸件的抗拉强度只能达到300MPa左右,延伸率约为3%左右,完全不能满足在航空、航天领域的使用要求。本文以ZL114A合金为研究对象,探讨了精炼、变质、成分优化以及合金化对合金组织和力学性能的影响规律,以改善其微观组织,提高力学性能,满足航空、航天等领域应用的要求。研究结果表明:Sr对ZL114A合金中的共晶硅有着很好的变质作用。铸态时,随着合金中Sr添加量的增加,针状的Si开始细化,并呈细小的纤维状在? （Al）晶界析出。T6处理后,共晶Si逐渐细化为不规则的颗粒状弥散的分布于枝晶间,并随着Sr的加入,合金力学性能逐渐提高,在Sr含量为0.04%时达到最大值,随后又会降低,说明添加过多的Sr会产生过变质的现象而降低合金力学性能。同时加入RE进行复合变质可以改善Sr变质后合金中针孔多的现象。随着RE加入量的增多,合金力学性能得到提高,在加入RE0.2%时力学性能达到最大值,随后又降低。采用Sr变质前加入C2Cl6精炼,变质后再吹入氩气精炼的联合精炼方法可以大大减少熔体中的氢含量,降低铸件针孔度,提高合金铸件的力学性能。Ce作为一种长效的变质剂对ZL114A合金有很好的变质效果。开始随着ZL114A合金中Ce量的增加,合金的力学性能得到改善。当加入Ce0.2%时,力学性能达到最大值,随后又随着Ce加入量的增加而下降。Sb-Te复合变质剂也是一种长效变质剂,对ZL114A合金具有良好的变质效果。ZL114A合金的力学性能随着Sb、Te含量的增加先提高后降低。当添加Sb0.3%,Te0.2%时,合金的力学性能最好,抗拉强度达到322.99MPa,延伸率达到4.65%。Be和Ti是ZL114A合金中重要的元素,Be可以减少合金中Mg的烧损,Ti可以细化晶粒。合金的力学性能开始随着Be和Ti的增加而提高,在Be、Ti的添加量为Be 0.04%,Ti 0.14%时性能最好,过量加入Be和Ti都会使晶粒粗化,降低合金力学性能。合金化能有效改善ZL114A合金的力学性能。ZL114A合金中加入Cu,其抗拉强度会先上升后下降,而延伸率一直下降。当Cu添加量为0.1%时,合金抗拉强度为331.69 MPa,延伸率为3.8%。当Cu添加量为0.5%时,合金抗拉强度为337.21MPa,延伸率为3.4%。当Cu添加量大于0.5%时,抗拉强度开始下降,延伸率继续下降。综合考虑合金的抗拉强度和延伸率,Cu合金化合适的加入量应选0.1%。Al-5Ti-B是一种良好的晶粒细化剂,加入可以细化ZL114A合金晶粒,提高其力学性能。但是当Al-5Ti-B添加量超过1.0%时,力学性能却开始降低。在Al-5Ti-B细化的ZL114A合金中添加Sc和Zr元素都会使晶粒粗大,降低合金的力学性能。经过以上研究,最终确定了ZL114A合金的优化方案为:合金成分配比为7%Si、0.6%Mg、0.14%Ti、0.04%Be;添加0.04%Sr,RE0.2%进行复合变质;采用C2Cl6、氩气联合精炼工艺进行精炼;添加1.0%的Al-5Ti-B晶粒细化剂进行晶粒细化,添加0.1%的Cu进行合金化处理。采用优化方案,T6处理后的ZL114A合金砂型铸件的抗拉强度都大于320MPa,延伸率大于4%,断口为韧性断裂,可以满足航空、航天企业对ZL114A砂型铸件的使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 获得高强韧铸造铝合金的途径
• 1.2.1 铸造铝合金成分的优化
• 1.2.2 铸造铝合金熔体的精炼处理
• 1.2.3 铸造铝合金的晶粒细化
• 1.2.4 铸造铝合金的变质处理
• 1.3 ZL114A 合金的国内外研究现状
• 1.4 ZL114A 合金的凝固特性
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验合金
• 2.1.2 熔体处理剂
• 2.2 实验设备与实验方法
• 2.2.1 合金熔炼设备及准备工作
• 2.2.2 合金熔炼工艺
• 2.2.3 拉伸试样的制取
• 2.2.4 热处理工艺
• 2.3 合金的分析测试
• 2.3.1 试样的力学性能测试
• 2.3.2 金相试样的制取
• 2.3.3 试样的组织分析
• 第3章 ZL114A 合金精炼工艺的研究
• 3.1 精炼方案的设计
• 3.2 精炼结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 ZL114A 合金变质工艺的研究
• 4.1 Sr 变质对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 4.1.1 Sr 变质ZL114A 合金的力学性能
• 4.1.2 Sr 变质ZL114A 合金的组织分析
• 4.2 Sr、RE 复合变质对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 4.2.1 Sr、RE 复合变质ZL114A 合金的力学性能
• 4.2.2 Sr、RE 复合变质对ZL114A 合金的针孔度影响
• 4.2.3 Sr、RE 复合变质ZL114A 合金的组织分析
• 4.3 Ce 变质对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 4.3.1 Ce 变质ZL114A 合金的力学性能
• 4.3.2 Ce 变质ZL114A 合金的组织分析
• 4.4 Sb、Te 复合变质对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 4.4.1 Sb、Te 复合变质ZL114A 合金的力学性能
• 4.4.2 Sb、Te 复合变质ZL114A 合金的组织分析
• 4.5 ZL114A 合金经不同变质工艺后的断口分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 ZL114A 合金成分的优化
• 5.1 Be 对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 5.1.1 Be 对ZL114A 合金力学性能的影响
• 5.1.2 Be 对ZL114A 合金组织的影响
• 5.2 Ti 对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 5.2.1 Ti 对ZL114A 合金力学性能的影响
• 5.2.2 Ti 对ZL114A 合金组织的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 合金化对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 6.1 Cu 合金化对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 6.1.1 Cu 合金化的ZL114A 合金的力学性能
• 6.1.2 Cu 合金化的ZL114A 合金的组织分析
• 6.1.3 Cu 合金化的ZL114A 合金的断口分析
• 6.2 Al-5Ti-B 对ZL114A 合金的组织与力学性能的影响
• 6.2.1 Al-5Ti-B 对ZL114A 合金力学性能的影响
• 6.2.2 Al-5Ti-B 对ZL114A 组织的影响
• 6.3 Sc 合金化对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 6.3.1 Sc 合金化的ZL114A 合金的力学性能
• 6.3.2 Sc 合金化的ZL114A 合金的组织分析
• 6.3.3 Sc 合金化的ZL114A 合金的断口分析
• 6.4 Zr 合金化对ZL114A 合金组织与力学性能的影响
• 6.4.1 Zr 合金化的ZL114A 合金的力学性能
• 6.4.2 Zr 合金化的ZL114A 合金的组织分析
• 6.4.3 Zr 合金化的ZL114A 合金的断口分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 ZL114A 合金的综合优化工艺方案
• 7.1 ZL114A 合金的综合优化工艺方案的设计
• 7.2 ZL114A 合金的综合优化工艺方案的力学性能与断口分析
• 7.3 ZL114A 合金的综合优化工艺方案的组织分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 致谢