Al-Fe合金熔体处理及凝固特性研究

论文摘要

Al-Fe合金是一种新型的轻质耐热合金。普通熔铸Al-Fe合金中存在粗大针状和针片状Al3Fe化合物,割裂基体,极大地降低了合金强度,限制了合金应用。细化组织是提高合金性能最直接最有效的手段,但到目前为止,Al-Fe合金的许多凝固学问题还不甚了解,组织细化有很大困难。为了搞清Al-Fe合金的某些凝固学问题,本文对液态结构转变、组织遗传性、熔体过热处理及合金元素对Al3Fe化合物的作用机理作了研究。Al-5Fe合金加热到1200℃以上,DTA曲线上出现一个显著的吸热峰,这是Al3Fe化合物熔解所导致;从1300℃冷却到1200℃时,DTA曲线上出现一个显著的吸热峰,这是Al3Fe化合物析出所导致。研究认为,高熔点Al3Fe化合物是Al-Fe合金的遗传因子。将合金液过热到1300℃进行激冷可以很大程度上抑制Al3Fe化合物在液相线温度以上的析出,显著细化最终凝固组织,其原因是Al3Fe化合物充分熔解,消除了合金的遗传性。经1300℃的熔体过热处理,Al-5Fe合金的抗拉强度有了较大幅度的提高,从未处理时的107MPa提高到145MPa,增长幅度达35.5%。Al-5Fe合金的断裂机制也由熔体处理前的解理断裂变为熔体处理后的部分韧窝断裂加部分解理断裂。研究发现,在950℃,Fe在Al液中不是直接溶解,而是先与Al化合形成Al3Fe化合物,而后Al3Fe化合物再向Al液中溶解。通过这种方式Fe得以不断地溶解到Al液中。熔炼完毕后,Al-5Fe合金液中含有Al3Fe化合物。1200℃以下的熔体过热处理对Al-5Fe合金中的初生Al3Fe化合物有较好的细化作用,但细化效果随激冷工艺而有所不同。高低温熔体混合处理效果最佳;加铝铁混合粉末激冷,Fe粉溶解完毕后产生细小的Al3Fe化合物,可以作为结晶核心,因而效果较好;加铝锭激冷可以保留高温熔体的优良结构,而且不会带入粗大的Al3Fe化合物,因此效果也较好;加Al-5Fe合金中间合金激冷会带入粗大的Al3Fe化合物,对合金的结晶起到负面作用,因而细化效果最差。1200℃以下的熔体过热处理不能使初生Al3Fe化合物完全转变为针点状和颗粒状,是因为高熔点的Al3Fe化合物未能充分熔解。Mg、Cr、Co合金化元素对初生Al3Fe化合物的生长有重要影响。Mg主要分布在基体和初生Al3Fe化合物边缘。Mg在初生Al3Fe化合物边缘的富集抑制了Al3Fe化合物的择优生长,使其长成块状。Mg富集还能导致成分过冷,如果成分过冷足够大,初生Al3Fe化合物在成分过冷区内会出现内生形核和内生生长。加入Mg后,部分块状初生Al3Fe化合物类似沉积岩,表面有波纹,其原因是初生Al3Fe化合物以层状堆垛方式生长。Cr和Co主要固溶在初生Al3Fe化合物内,通过原子占位抑制初生Al3Fe化合物的择优生长,使其长成块状。Mg和Mn的复合使初生Al3Fe化合物长成梅花状、块状或穗状。Mn主要分布在初生Al3Fe化合物内,有利于初生Al3Fe化合物长成梅花状和块状;Mg主要分布在基体中,在初生Al3Fe化合物边缘有轻微富集,有利于初生Al3Fe化合物长成块状和穗状。由于Mg的抑制作用,穗状初生Al3Fe化合物中存在缩颈和微裂纹。Cr和Mg的复合有利于初生Al3Fe化合物长成块状。Cr主要分布在初生Al3Fe化合物内。当Cr含量较低时,由于Mg在初生Al3Fe化合物边缘富集,阻碍了Cr固溶于初生Al3Fe化合物内部,削弱了Cr的细化作用:当Cr含量较高时,Mg的阻碍作用不太明显。在某些特定条件下,针状或针片状初生Al3Fe化合物可以长成花朵状或星状。花朵状或星状初生Al3Fe化合物实际上是侧向具有十个分枝的棒柱状Al3Fe相的横截面。形成花朵状或星状Al3Fe相的外因是过冷度。只有当冷却速度或过冷度足够大时,才能产生花朵状或星状Al3Fe相。形成花朵状或星状Al3Fe相的内因是（100）和（201）晶面的复合孪生生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 熔体过热处理的研究现状
• 1.1.1 熔体过热处理的种类
• 1.1.2 熔体过热处理的理论依据
• 1.1.3 过热对熔体及结晶过程的影响
• 1.1.4 熔体过热处理的应用研究概况
• 1.2 国内外Al-Fe合金的研究概况
• 1.2.1 Al-Fe合金简介
• 1.2.2 Al-Fe合金凝固特性的研究概况
• 1.2.3 Al-Fe合金制备技术研究概况
• 1.2.4 Al-Fe合金的液态结构
• 1.3 课题的提出及其研究内容
• 1.3.1 本课题的研究意义
• 1.3.2 本课题的研究内容
• 1.3.3 可能遇到的困难和问题及拟解决的方法和措施
• 1.3.4 预期达到的研究目标
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 合金熔炼
• 2.3 Fe在Al液中的溶解实验
• 2.4 DTA实验
• 2.5 熔体过热处理工艺
• 2.5.1 激冷实验
• 2.5.2 高低温熔体混合实验
• 2.6 显微组织观察
• 2.7 定量金相分析
• 2.8 X射线衍射物相分析
• 2.9 力学性能实验
• 第三章 铁在铝液中的溶解及Al-Fe合金差热分析
• 3.1 引言
• 3.2 Fe在Al液中的溶解过程
• 3.2.1 溶解实验
• 3.2.2 结果分析
• 3.3 Al-Fe合金的差热分析
• 3.4 熔体过热对Al-Fe合金组织及力学性能的影响
• 3Fe相形貌的变化'>3.4.1 初生Al₃Fe相形貌的变化
• 3.4.2 定量金相分析
• 3.4.3 力学性能及断口形貌的变化
• 3.4.4 分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 Al-Fe合金的熔体过热处理
• 4.1 引言
• 4.1.1 热速处理的操作工艺
• 4.1.2 金属熔体过热温度的确定
• 4.1.3 过热熔体的激冷
• 4.2 不同冷料激冷对Al-Fe合金组织的影响
• 4.2.1 Al-5Fe中间合金激冷对Al-Fe合金组织的影响
• 4.2.2 铝锭激冷对Al-Fe合金组织的影响
• 4.2.3 块状铝铁混合粉末激冷对Al-Fe合金组织的影响
• 4.3 高低温熔体混合处理对合金组织的影响
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 分析与讨论
• 4.4 过热对熔体结构及结晶过程的影响
• 4.5 熔体过热处理细化组织的局限性
• 4.6 本章小结
• 第五章 合金元素对Al-Fe合金组织的影响
• 5.1 引言
• 5.2 Mg对Al-Fe合金凝固组织的影响
• 3Fe化合物的形貌'>5.2.1 初生Al₃Fe化合物的形貌
• 3Fe化合物作用机理分析'>5.2.2 Mg对初生Al₃Fe化合物作用机理分析
• 5.3 Cr对Al-Fe合金凝固组织的影响
• 3Fe化合物形貌的演变'>5.3.1 初生Al₃Fe化合物形貌的演变
• 3Fe化合物生长机理分析'>5.3.2 Cr对初生Al₃Fe化合物生长机理分析
• 5.4 Co对Al-Fe合金凝固组织的影响
• 3Fe化合物形貌的影响'>5.4.1 Co对初生Al₃Fe化合物形貌的影响
• 3Fe化合物生长机理分析'>5.4.2 Co对初生Al₃Fe化合物生长机理分析
• 5.5 Mn和Mg复合对Al-Fe合金凝固组织的影响
• 3Fe化合物形貌的影响'>5.5.1 Mn和Mg复合对初生Al₃Fe化合物形貌的影响
• 5.5.2 Mn和Mg复合对Al-Fe合金力学性能的影响
• 5.5.3 Mn和Mg的作用机理分析
• 5.6 Cr和Mg复合对Al-Fe合金凝固组织的影响
• 3Fe化合物形貌的影响'>5.6.1 Cr和Mg复合对初生Al₃Fe化合物形貌的影响
• 5.6.2 Cr和Mg的作用机理分析
• 3Fe相作用机理小结'>5.7 合金元素对初生Al₃Fe相作用机理小结
• 5.8 本章小结
• 3Fe相的形成机理'>第六章 花朵状初生Al₃Fe相的形成机理
• 6.1 引言
• 3Fe相形貌'>6.2 花朵状初生Al₃Fe相形貌
• 3Fe相的形成机理'>6.3 花朵状初生Al₃Fe相的形成机理
• 3Fe相的外部条件'>6.3.1 形成花朵状初生Al₃Fe相的外部条件
• 3Fe相的内在条件'>6.3.2 形成花朵状初生Al₃Fe相的内在条件
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录A Al-Fe-Cr相图中各个角的计算
• 附录B Al-Fe-Co相图中各个角的计算
• 在学研究成果
• 致谢