2618-Ti合金凝固组织和热变形模拟研究及相关体系相平衡

摘要

2618合金是一种通过添加合适含量的Fe、Ni元素以引进金属间化合相Al9FeNi相的Al-Cu-Mg系合金。这种合金属于可热处理的合金,因其良好的高强轻质性能和耐热性能而广泛应用于航空航天业和汽车工业。一直以来,很多研究者为增强2618合金的机械性能做出了很多的努力,如对该合金进行微合金化及各种热处理等。微量的钛元素可以提高2618合金的机械性能,主要归功于微合金化后形成的弥散Al3Ti颗粒对合金晶粒组织的细化和再结晶的抑制作用。
　　为了排除Al9FeNi相的影响,以不含Fe和Ni元素、且Cu和Mg含量与2618合金相同的Al-Cu-Mg合金作为研究对象,采用固液混合近液相线铸造技术制备了高钛含量的Al-Cu-Mg-Ti合金。使用扫描电子显微镜对合金显微组织的演变行为进行了研究,研究结果表明:相比于Al-Cu-Mg合金,Al-Cu-Mg-Ti合金晶粒尺寸明显减小,Al3Ti相颗粒均匀弥散分布在晶粒组织中。Al-Cu-Mg-Ti合金中的Al3Ti相颗粒尺寸大约为2~10μm,几乎和快速凝固Al-7％Ti合金粉中的Al3Ti相颗粒尺寸一样;其形貌由Al-7%Ti合金粉中的长针状转变为合金中的短杆状或块状,对Al-7%Ti合金粉进行合适的预处理有利于Al3Ti相颗粒在Al-Cu-Mg-Ti合金组织中的均匀弥散分布。当Al-Cu-Mg-Ti合金中的钛含量超过1.5%(即Al-7%Ti合金粉的加入量超过21.4%)时,Al-7%Ti合金粉对合金晶粒组织的细化效果减小,而且粗大长针状Al3Ti相颗粒开始明显增加。Al-Cu-Mg-1.5Ti合金在720℃重熔保温不同时间后,其显微组织中的Al3Ti相颗粒的环状形状因子基本保持在0.76,随着保温时间的增加,当保温时间小于20分钟时Al3Ti相颗粒尺寸快速增加,之后随着时间延长增长缓慢。
　　为了研究形变量、应变速率和变形温度对2618-Ti合金热压缩变形行为的影响,采用数学模型来描述合金的流变应力、应变速率和温度间的关系。利用热模拟变形过程中的真应力-真应变曲线实验数据分别建立和计算了合金流变应力本构方程和各材料常数。研究结果表明:采用建立的流变应力本构方程计算所得的峰值流变应力值与实验测得值基本吻合。通过本构分析计算出的2618-Ti合金的热变形激活能为306.8KJ/mol,而2618合金的热变形激活能仅为181KJ/mol,证明2618合金中存在的大量弥散Al3Ti相颗粒可以抑制合金的高温变形行为。
　　为了进一步分析2618-Ti合金的相组成,采用平衡合金法实验测定了Al-Cu-Ti三元系600℃等温截面部分相关系,并由实验结果预测了部分相关系。实验研究结果表明,Al-Cu-Ti三元系600℃等温截面中包括的三相区有:Al-η1-Al3Ti,ε2-Al3Ti-τ1,γ1-τ1-τ2,γ1-τ2-τ3,γ1-β-τ3, Al3Ti-Al2Ti-τ1, Al2Ti-AlTi-τ1,AlTi-τ1-τ2, AlTi3-AlTi-τ2, Cu-TiCu4-τ3, TiCu4-Ti2Cu3-τ3, TiCu-Ti2Cu-τ3和β-Cu-τ3;预测该截面中会出现三元相τ4相;预测的三相区包括:AlTi3-τ2-τ4、Ti2Cu-τ3-τ4、α(Ti)-AlTi3-τ4、τ2-τ3-τ4、η1-Al3Ti-ε2、ε2-δ-τ1、δ-γ1-τ1、Ti2Cu3-TiCu-τ3、Ti2Cu3-TiCu-Ti3Cu4、Ti2Cu-α(Ti)-τ4。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 耐热铝合金的研究现状

1.3 2618耐热铝合金的发展概况

1.4 热模拟实验简介

1.5 Al-Cu-Ti三元系研究现状及相图测定方法

1.6 本文选题的意义、研究内容及技术路线

第二章 实验材料、设备和实验方法

2.1 实验材料及设备

2.2 Al-Cu-Mg-Ti合金的制备方案

2.3 2618-Ti合金的制备以及热模拟实验方案

2.4 实验测定Al-Cu-Ti三元系600℃等温截面相图的方案

第三章 Al-Cu-Mg-Ti合金的显微组织分析

3.1 Al-Ti粉和铝合金的显微组织分析

3.2 粉末预处理以及浇铸温度对Al-Cu-Mg-1.5Ti合金显微组织的影响

3.3 Al-Cu-Mg-1.5Ti合金重熔保温不同时间下的组织演变

3.4 Al-Ti粉预处理工艺对Al-Cu-Mg-Ti合金凝固组织的影响

3.5 不同钛含量Al-Cu-Mg-Ti合金的凝固组织

3.6 TiAl3相颗粒显微参数曲线

3.7 本章小结

第四章 2618-Ti合金高温热压缩流变行为研究

4.1 2618-Ti合金的真应力-真应变曲线

4.2 流变应力的本构方程分析

4.3 Zener–Hollomon 参数（Z）

4.4 2618-Ti合金的本构方程

4.5 2618-Ti合金与2618合金本构模拟的比较

4.6 2618-Ti合金高温压缩显微组织分析

4.7 本章小结

第五章 Al-Cu-Ti三元系相平衡研究

5.1 Al-Cu-Ti三元系600℃等温截面的实验设计

5.2 Al-Cu-Ti三元系600℃等温截面的实验测定结果分析

5.3 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

附录（攻读硕士学位期间发表的论文）