高强6XXX铝合金多元合金化理论与工艺研究

论文摘要

本文系统研究了AA6069合金的多元合金化理论与工艺,通过进一步微合金化,提高了合金的强度,突破AA6069合金的专利,开发出具有中国特色的高强6XXX铝合金。本文首先系统研究了主合金元素Mg、Si、Cu对AA6069铝合金组织与性能的影响规律,然后考察了制备参数对A1-V中间合金含V相种类及形态的影响,以及微量元素V在AA6069铝合金中的作用。同时,突破AA6069合金的成分范围,考察了AA6069合金中添加不同含量Mn、以Zr取代AA6069铝合金中的V、该以Zr代V合金中添加高含量Fe对合金组织性能的影响规律。开发出具有自己特色、性能优于AA6069合金的含Zr高强6XXX铝合金,以及强度可以达到500MPa以上的高强6XXX铝合金。为该类高强6XXX铝合金工业化应用提供理论依据和技术数据。首先以AA6069铝合金化学成分为基础,详细考察了Mg/Si比,Cu含量和Mg含量变化对合金微观组织及挤压棒材T6态性能的影响规律,优化了该合金的成分,获得了强韧性组合良好的主合金成分为：Al-1.6Mg-1.15Si-1.0Cu（wt.%）。然后详细考察了V含量、熔炼温度、保温时间和冷却速度对A1-V中间合金中含V相的结构、形态和尺寸的影响,确定了Al-V中间合金的最佳制备工艺为：V加入量为4wt.%,1100℃C熔炼保温10min后急冷。采用此方法制备的Al-4 wt.% V中间合金含V量准确、组织中存在大量弥散细小的花瓣状A13V相,并且能耗相对较低。组织观察表明,V在AA6069铝合金中主要以细小椭球状Al（VCrTi）Si相存在,该相可以显著细化合金铸态组织,抑制再结晶,AA6069合金挤压材T6态抗拉强度、屈服强度和伸长率可分别为419MPa、361MPa和18.8%。AA6069合金中添加Mn,合金T6态强度随Mn含量增加先增加,然后降低,最佳添加量为0.2 wt.%。添加微量Mn形成尺寸细小（<100nm）、形态近似球状或椭球状的亚稳含Mn弥散相,它们抑制再结晶、阻碍位错运动,从而使合金抗拉强度和屈服强度分别提高到431MPa和372MPa,伸长率为15.6%。采用等量（0.15 wt.%）的Zr取代AA6069合金中的V,形成了细小的亚稳L12型A13Zr相和尺寸相对稍大的D022型A13Zr相,铸态组织显著细化,挤压时的再结晶被抑制,同时可促进该合金中Q’相的析出,使合金强度得到进一步提高：挤压材T6态抗拉强度和屈服强度分别达到440MPa和361MPa。通过工艺参数的优化,确定该合金的最佳均匀化热处理制度为：540℃保温24h后空冷；挤压棒材的T6热处理制度为：550℃/2h固溶处理后水淬,170℃/12h人工时效。该合金突破了AA6069合金的成分范围,形成了具有自己特色的新合金。采用在Al-1.6Mg-1.15Si-1.0Cu-0.15Cr-0.15Zr-0.03Ti （wt.%）合金中添加一定量的Fe,形成了球状或棒状Al（CrFe）Si相。合金中Fe含量的增加,促进了椭球状D022型A13Zr相细小弥散的析出,其与Al（CrFe）Si相的共同作用进一步显著抑制合金再结晶,还进一步促进了Q’相的析出。Fe含量为0.356 wt.%时,合金挤压棒T6态的抗拉强度和屈服强度可以分别达到503MPa和478MPa,伸长率为12.25%。当Fe含量为0.601 wt.%时,合金挤压棒T6态的抗拉强度和屈服强度可以分别达到520MPa和503MPa,伸长率为10.38%。该合金再一次突破了AA6069合金的范围,是目前报道的强度最高的6XXX铝合金。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 6XXX铝合金
• 1.1.1 6XXX铝合金简介
• 1.1.2 6XXX铝合金的研究背景
• 1.1.3 6XXX铝合金的研究现状
• 1.2 合金元素在6XXX铝合金中的作用
• 1.2.1 Mg对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.2 Si对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.3 Cu对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.4 微量V对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.5 Mn对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.6 微量Zr对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.7 Fe对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.8 微量Cr对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.9 微量Ti对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.2.10 Zn对6XXX铝合金组织性能的影响
• 1.3 铝合金用中间合金
• 1.3.1 研究铝合金用中间合金的意义
• 1.3.2 中间合金定义及分类
• 1.3.3 中间合金的生产方法
• 1.3.4 中间合金的质量要求与控制途径
• 1.3.5 中间合金的应用与发展
• 1.4 6XXX铝合金低频电磁半连续铸造（LFEC）
• 1.5 6XXX铝合金的强化机理
• 1.5.1 铝合金的常规热处理
• 1.5.2 6XXX铝合金的固溶处理
• 1.5.3 6XXX铝合金的时效强化处理
• 1.6 本文研究的内容与目的
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验研究思路
• 2.2 实验材料制备
• 2.3 检测与分析方法
• 2.3.1 差示扫描量热（DSC）分析
• 2.3.2 JMat Pro 5.0软件计算
• 2.3.3 金相组织观察
• 2.3.4 X射线衍射物相（XRD）分析
• 2.3.5 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.6 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.7 力学性能测试
• 2.3.8 电导率测定
• 2.3.9 宏观硬度测试
• 第3章 Mg、Si、Cu含量对新型6XXX铝合金组织性能影响
• 3.1 Mg/Si比大小对新型6XXX铝合金组织性能的影响
• 3.1.1 合金成分
• 3.1.2 过烧温度的确定
• 3.1.3 显微组织
• 3.1.4 力学性能
• 3.2 Cu含量对新型6XXX铝合金的组织性能影响
• 3.2.1 合金成分
• 3.2.2 过烧温度的确定
• 3.2.3 显微组织
• 3.2.4 力学性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 Al-V中间合金制备及微量V对高强6XXX铝合金组织性能的影响
• 4.1 Al-4 wt.%V中间合金组织中相的种类
• 4.2 不同相在铝合金中添加后的作用
• 4.2.1 DSC分析
• 4.2.2 不同含V相对6XXX铝合金组织的影响
• 4.3 理想Al-V中间合金制备工艺研究
• 4.3.1 Al-V中间合金制备方法
• 4.3.2 V含量对Al-V中间合金中有效结晶相大小、形态、分布的影响
• 4.3.3 熔炼温度对Al-4V中间合金有效结晶相生成及其大小、形态、分布的影响.
• 4.3.4 保温时间对合金有效结晶相的生成及其大小、形态、分布的影响
• 4.3.5 冷却方式对合金有效结晶相的生成及其大小、形态、分布的影响
• 4.4 V对新型6XXX铝合金组织性能的影响
• 4.4.1 V对合金铸态组织影响
• 4.4.2 均匀化后含V相存在形式
• 4.4.3 V对合金挤压棒材T6热处理前后微观组织影响
• 4.4.4 V对合金挤压棒材T6热处理前后力学性能影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 Mn对高强6XXX铝合金组织性能的影响
• 5.1 合金设计
• 5.2 Mn含量对合金铸态组织影响
• 5.3 均匀化后Mn在不同合金组织中的存在形式
• 5.4 Mn对合金挤压棒材T6热处理前后微观组织影响
• 5.5 Mn对合金性能的影响
• 5.5.1 Mn对合金铸态性能的影响
• 5.5.2 Mn对合金棒材T6态力学性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 Zr、Fe对高强6XXX铝合金组织性能的影响
• 6.1 Zr对高强6XXX铝合金组织性能的影响
• 6.1.1 Zr对合金铸态组织影响
• 6.1.2 均匀化后Zr在合金组织中的存在形式
• 6.1.3 Zr对合金挤压棒材组织影响
• 6.1.4 Zr对合金力学性能的影响
• 6.2 Fe对高强6XXX铝合金组织性能的影响
• 6.2.1 Fe对合金铸态组织影响
• 6.2.2 均匀化对含Fe相的影响
• 6.2.3 Fe对合金挤压棒材组织影响
• 6.2.4 Fe对合金力学性能的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 含Zr高强6XXX铝合金热处理工艺研究
• 7.1 实验工艺流程
• 7.1.1 半连续铸造工艺
• 7.1.2 实验工艺流程
• 7.2 均匀化制度研究
• 7.2.1 过烧温度的确定
• 7.2.2 均匀化制度的确定
• 7.3 固溶制度的确定
• 7.4 时效制度的确定
• 7.4.1 时效制度对力学性能的影响
• 7.4.2 时效制度对合金组织的影响
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所做的工作
• 致谢
• 作者简介