微纳米晶高Si铝合金材料制备工艺及组织形成机理研究

论文摘要

为了大幅度提高汽车、赛车等的使用性能，对其核心部件----发动机功率密度及自重的要求越来越高。我国几代汽车技术的发展，伴随着发动机功率成倍增长的同时，发动机的体积和重量也越来越大，由此产生了严重的结构超重问题，致使发动机的性能受到影响，成为制约汽车工业发展的关键因素之一。采用新的高性能材料制造发动机零部件，减轻发动机运动部件质量和传动阻力等是提高发动机性能的有效途径。铝硅合金作为耐磨材料，在机械工业中得到了广泛应用。特别是含硅量在18％-26wt％的过共晶铝硅合金具有密度小、热膨胀系数低、导热性好、足够的高温强度和耐磨性等特点，是理想的发动机轻质耐磨材料。但是，采用普通铸造工艺生产过共晶铝硅合金时，粗大的硅相严重割裂了基体的连续性，使合金的强度、韧性显著下降。当硅量超过14wt％时，即使变质处理也很难消除硅相的不利影响。随着现代工业的发展，尤其是汽车、航空、航天工业的特殊需要，要求铝硅合金进一步提高耐磨性、耐热性，并大幅度降低线收缩率及密度。在合金成分上表现为高硅含量及合金化。显然，常规的合金材料及铸造工艺远远不能满足要求。近几年研制开发的快速凝固新材料为航空、航天工业用高性能材料开辟了一条新路。本文应用快速凝固粉末冶金法（RS／PM）制备了高耐磨超低膨胀系数高硅铝合金材料，对其进行了系统的分析研究，取得了规律性认识，并应用该材料试制了大功率发动机缸套，得到了具有实用价值的研究成果。论文自行设计制造了雾化制粉实验装置，以此为基础研究各种工艺参数对粉末材料特性的影响规律，雾化正交实验及验证实验结果表明：各种雾化工艺参数对合金雾化效果有很大影响：喷嘴间隙δ是影响雾化效果的显著因子，气体流量Q是影响雾化效果的第二显著因子，金属液过热度为非显著因子；实验得到最佳喷嘴间隙取δ=0.55mm，较佳的气体流量Q为34 m3／h，陶瓷管内径值为6.4 mm，最佳喷嘴角度为25°，金属液过热度100℃。论文以群体动力学模型为基础，在充分考虑合金的热物性参数，过饱和度以及第二相形核率变化的条件下，提出了一个描述雾化过共晶Al-Si合金液滴快速凝固过程中组织演变的数学模型，并将其与液滴的运动方程与传热方程相耦合，对雾化合金液滴的冷却凝固过程进行模拟分析，并通过实验进行了验证。结果表明：随着合金液滴尺寸的减小，平均冷却速度增加，当熔滴尺寸足够小时，熔滴温度的变化趋势及合金液滴的组织将发生突变，过共晶Al-Si合金液滴发生亚稳共晶组织转变的临界尺寸为：dlim=[6．Nu．Kg（Tx-Tg）／ρ．L．（df／dt）]1／2；增加雾化气体的初速度，降低熔体过热度，会使初生相的析出受到抑制，有利于得到亚稳组织。论文在快速枝晶及共晶生长理论模型基础上，充分考虑了过冷熔体中等轴凝固的生长特性，借用最高界面生长温度判据，建立了共晶合金等轴凝固界面响应函数模型：IRF（ν）=max(Tpri（ν），Teut（ν）)；通过该模型分析了Al-Si合金系快速等轴凝固过程中的组织竞争生长，绘制了非平衡组织选择图，研究表明：在快速等轴凝固过程中，Al-Si系合金存在着α相、Si相及（α+Si）共晶组织三个生长区，当Si的含量介于12％至25％之间时，将会出现α相及（α+Si）共晶两种亚稳组织，当Si含量大于25％或者小于12％时，只可能形成亚稳的（α+Si）共晶组织；计算结果与实验结果基本吻合，说明所建立的共晶合金等轴凝固界面响应函数模型可以较好地预测Al-Si系合金快速等轴凝固过程中的非平衡组织选择，对其它共晶系合金同样具有一定的指导意义。论文以自行设计制造的小型冷压及热挤压模具为基础进行小试样挤压过程物理模拟，研究粉末材料致密化和金属流变规律及热挤压工艺参数对材料微观组织的影响。结果表明：粉末冷压坯的挤压可以分为填充致密、稳定挤压、紊流挤压等三个阶段；粉末颗粒尺寸越大，粉末的冷压制性能越好，越容易获得表面质量高且形状完整的冷压坯料，同时大尺寸粉末颗粒的热挤压棒材质量好，表面光洁无裂纹；但是，粉末颗粒尺寸越小，所获得的热挤压棒材密度越高，材料内部微观组织细小且均匀分布，且挤压棒材的力学性能越好。综合考虑粉末的利用率及粉末颗粒内部的组织形态力学性能等因素，使用混合粉末比使用单级粉末挤压具有一定的优势，实验证明，使用颗粒半径小于147μm的混合粉末，选择适当的挤压温度、挤压比、挤压模芯角度等参数可以得到高质量的挤压棒材。温度对热挤压制品微观组织影响较大，合金中Si含量越高，初晶硅相随挤压温度升高而长大的趋势越明显。Al-Si合金粉末材料中细小弥散分布的Si相在挤压过程中发生聚集和长大的规律符合LSW粗化动力学理论；挤压变形系数和制品横截面形状主要通过改变粉末变形程度和粉末体结合状态来影响挤压制品的微观组织及力学性能。挤压比为16时，Al-Si合金粉末之间的孔隙已经基本消除，粉末体结合已接近良好状态，较大的挤压比是获得理想微观组织及性能的必要条件。在现有实验条件下，Al-30％Si合金最佳热挤压工艺参数为：挤压温度520℃，挤压比16，模芯角90°。总之，使用快速凝固制粉＋热挤压工艺制备的Al-Si合金与未经过任何变质处理自由凝固条件下制备的合金相比，力学性能得到了显著提高；随着合金中Si含量的提高，挤压制品的抗拉强度、硬度、耐磨性相应提高，延伸率略有下降；细化初晶硅相使其细小均匀分布，改善初晶硅相的形态使其与基体的结合力进一步提高，将有利于提高材料的力学性能、摩擦磨损性能。应用高硅铝合金材料代替传统38CrMoAl材料生产大功率发动机缸套，并采用缸套环向加筋且筋上有径向约束的方法可以使缸套的各种性能满足实际工作要求。其室温抗拉强度大于400 N／mm2，高温250℃抗拉强度大于300 N／mm2，520℃挤压制品的平均磨损量为2mg，平均摩擦系数为0.3，室温热导率及热膨胀系数分别达到130 W／m／k及1.5×10-5K-1，其力学性能优于有报道的国外技术水平，综合性能优于铸铁及钢制缸套材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 快速凝固铝硅合金的性能特点及其应用前景
• 1.2.1 铝硅合金性能特点及应用
• 1.2.2 快速凝固铝硅合金的性能特点
• 1.2.3 快速凝固高硅铝合金应用及发展展望
• 1.2.4 快速凝固高硅铝合金在高功率密度发动机上的应用
• 1.3 快速凝固铝硅合金制备工艺
• 1.3.1 快速凝固粉末冶金法（RS/PM）
• 1.3.2 快速凝固喷射沉积法（SF）
• 1.4 合金液滴冷却凝固及粉末微观组织形成机理研究现状
• 1.4.1 传热现象
• 1.4.2 液滴凝固热力学
• 1.4.3 液滴凝固动力学
• 1.5 快速凝固高硅铝合金材料研制尚存在的问题
• 1.6 本论文主要研究目的及内容
• 1.7 本论文实验研究总体技术路线及方案
• 第二章 试验合金成分及雾化实验装置
• 2.1 试验合金成分及制备工艺
• 2.1.1 俄罗斯活塞材料的化学成分及微观组织
• 2.1.2 雾化试验合金成分
• 2.1.3 雾化试验合金制备工艺
• 2.2 雾化实验装置设计
• 2.2.1 熔化设备
• 2.2.2 保温炉
• 2.2.3 雾化喷嘴结构
• 2.2.4 雾化气源
• 2.2.5 粉末收集装置
• 2.3 雾化实验装置性能指标
• 第三章 雾化工艺对粉体质量的影响
• 3.1 引言
• 3.2 雾化粉体质量的评定指标
• 3.3 雾化正交实验设计
• 3.3.1 因素位级表
• 3.3.2 实验方案确定
• 3.4 正交实验结果分析与讨论
• 3.4.1 较佳的雾化工艺参数
• 3.4.2 第二批实验
• 3.4.3 验证实验
• 3.5 雾化工艺参数对粉体质量的影响
• 3.5.1 化学成分的影响
• 3.5.2 过热度的影响
• 3.5.3 喷嘴结构的影响
• 3.5.4 气体间隙的影响
• 3.5.5 气体压力和流量的影响
• 3.6 雾化制粉机理初探
• 3.7 本章小结
• 第四章 过共晶Al-Si合金快速凝固组织演绎规律
• 4.1 引言
• 4.2 雾化场中的气体流速及温度
• 4.3 合金液滴的运动及传热
• 4.3.1 液滴运动速度的变化
• 4.3.2 均匀形核及实际过冷度
• 4.3.3 液滴温度的变化
• 4.4 形核率
• 4.5 初生Si相扩散控制生长
• 4.6 群体动力学
• 4.7 数值计算结果
• 4.8 实验验证
• 4.9 讨论
• 4.10 本章小结
• 第五章 Al-Si合金快速等轴凝固界面响应函数及组织选择
• 5.1 引言
• 5.2 共晶合金各相及组织竞争生长
• 5.3 共晶合金快速等轴凝固界面响应函数
• 5.3.1 合金液滴固液界面移动速率
• 5.3.2 共晶合金快速等轴凝固界面响应函数
• 5.4 Al-Si合金快速等轴凝固组织形态演化
• 5.4.1 参数确定
• 5.4.2 Al-Si合金系界面响应函数及组织选择
• 5.4.3 Al-Si合金快速等轴凝固过程中的组织选择图
• 5.5 本章小结
• 第六章 高硅铝合金粉末热挤压过程及工艺参数对挤压制品组织影响
• 6.1 引言
• 6.2 热挤压模具及相关实验装置设计
• 6.3 实验过程
• 6.4 粉末坯料热挤压过程应力应变状态及金属流变规律
• 6.5 粉末粒度对热挤压过程及挤压缺陷的影响
• 6.5.1 不同粒度粉末的密度
• 6.5.2 不同粒度粉末的冷压制性
• 6.5.3 不同粒度粉末塑性流动阻力
• 6.5.4 不同粒度粉末热挤压坯密度及微观组织
• 6.5.5 不同粒度粉末热挤压过程缺陷
• 6.6 热挤压工艺参数对挤压制品微观组织影响
• 6.6.1 挤压温度的影响
• 6.6.2 挤压比的影响
• 6.6.3 模芯角的影响
• 6.7 本章小结
• 第七章 快速凝固高硅铝合金粉末挤压制品性能及在实际生产中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 实验过程
• 7.3 挤压制品性能分析
• 7.3.1 拉伸性能及断裂特征
• 7.3.2 硬度
• 7.3.3 摩擦、磨损性能
• 7.3.4 热导率及热膨胀系数
• 7.4 发动机缸套有限元分析
• 7.4.1 发动机缸套工作状况
• 7.4.2 有限元模型
• 7.4.3 有限元分析结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 主要结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文及所获得的成果
• 作者在攻读博士学位期间所参与的项目
• 致谢