半固态加工Al-Cu合金的组织及性能的研究

摘要

利用机械搅拌法制备Al-Cu合金的半固态浆料并进行挤压铸造，对半固态加工Al-Cu合金的组织及及力学性能进行了研究。 半固态挤压铸造Al-10Cu、Al-20Cu合金的初生α-Al呈近等轴的球状或蔷薇球状，其尺寸约为50~80μm。与普通铸造Al-10Cu、Al-20Cu合金较粗大的树枝状、尺寸达200μm以上的初生α-Al相比，合金的组织得到显著的改善。与普通铸造相比，半固态加工的过共晶Al-40Cu合金中初生CuAl2的形貌由较粗较长的条状转变为长径比较小的短棒状或近等轴的颗粒状，其平均尺寸小于80μm，基本消除了粗长的初生CuAl2，改善了晶粒形貌。半固态加工等温机械搅拌的温度对Al-Cu合金固液两相的体积分数有较大的影响，随着等温机械搅拌的温度降低，初生α-Al固相的体积分数迅速增加，而半固态加工等温机械搅拌的温度对初生α-Al的晶粒形态及晶粒尺寸没有太大的影响。 半固态挤压铸造对晶体的生长过程，生长形貌，尺寸有着非常重要的作用。半固态挤压铸造强烈的机械搅拌作用使液态Al-Cu合金凝固过程中的浓度场和温度场更趋于均匀，形成树枝状枝晶的成分过冷区以及液相的温度梯度都已经变得很小，枝晶臂的优先生长所必须的过冷度不能满足其要求，而液相的温度梯度较小，因此，当液态金属的温度下降至液相线温度以下时，几乎整个合金熔体的温度都低于液相线温度，即几乎整个合金熔体处于过冷状态，α-Al在整个熔体范围内形核并长大，α-Al的形核率大大提高。半固态下的强烈搅拌造成了结晶核心在继续生长过程中演化为等轴状颗粒状。因此，对半固态Al-Cu合金的强烈搅拌所造成的对流作用，既改变了凝固过程中初生α-Al形核的动力学条件，又改变了其生长的动力学条件。进行强烈搅拌的半固态Al-Cu合金中的α-Al晶粒的生长可以看作内生生长。 半固态加工能显著提高Al-Cu合金的抗拉强度，延伸率和断面收缩率。普通铸造Al-20Cu合金的硬度为115HB，半固态加工Al-20Cu合金的硬度提高到121HB。半固态加工减小了Al-20Cu合金的晶粒尺寸，所以其力学性能得到了改善。半固态加工Al-40Cu合金的硬度值约为155HB，比普通铸造Al-40Cu合金的221HB低。半固态加工能够明显细化Al-40Cu合金的显微组织，增强材料的强度，从而提高合金的耐磨性。