脉冲磁场下Al-20Si功能梯度材料的制备

摘要

功能梯度材料能克服材料结合部位的性能不匹配问题，使其成分含量、组织结构呈有规律变化。功能梯度材料制备技术是梯度材料研究的重要环节，其中常用方法包括：粉末冶金法、自蔓延高温燃烧合成法及电磁相分离法等。脉冲磁场作为一种电磁场，由于具有输出峰值高、设备负荷小等优点，在合金晶粒细化方面得到了广泛的应用。本文研究了P、Sr、RE合金化处理和脉冲磁场处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响以及在此基础上研究了脉冲磁场和P复合作用对Al-20Si合金初生硅分布和形态的影响，得出的结论如下：
　　1）P、Sr、RE均可以改善Al-20Si合金的凝固组织，提高其力学性能，其中P对初生硅的细化效果最好，Sr对共晶硅的细化效果最好，RE既能细化初生硅又能细化共晶硅。在0.0175~0.0875％范围内，随P加入量的增加，合金中的初生硅平均尺寸逐渐减小；加P后合金组织中出现了新相AlP。在0.03~0.09%范围内，随Sr加入量的增加，Al-20Si合金中的共晶硅由原来的长针状逐渐变成颗粒状，使其得到了显著的细化，同时使初生硅由原来的板条状裂解成花瓣状，从而使其也有所细化。在0~0.9%范围内，随着RE加入量的增加，Al-20Si合金中的初生硅和共晶硅尺寸先减小后增大；当RE的加入量为0.3％时，初生硅和共晶硅尺寸均最为细小；加入RE元素后，合金组织中出现了新相Al3La。P与Sr、P与RE以及P、Sr、RE复合加入均能同时细化合金中的初生硅和共晶硅，复合加入对初生硅的细化效果与单独加P时无明显区别，但复合加入对共晶硅的细化效果比单独加RE或Sr时都较好；P、Sr、RE无论单独加入还是复合加入均能提高Al-20Si合金的抗压强度，其中三元复合加入时抗压强度最高为795MPa，与未处理试样相比，提高了16%。
　　2）通过控制脉冲磁场的脉冲电压、脉冲频率、浇注温度和模具预热温度，可以显著改变Al-20Si合金中的凝固组织。当脉冲电压为80V时，初生硅有所粗化且偏聚，其大量聚集在试样边部，心部几乎不含初生硅；当脉冲电压为160V时，初生硅进一步粗化且有所团聚，但整体上分布比较均匀；当脉冲电压增加至240V时，初生硅团聚和粗化现象有所减弱，分布均匀性有所提高；当脉冲频率较小（1～5Hz）时，频率的增加对初生硅的分布和形态无明显影响，只有当频率增加到10Hz时，才有偏聚和粗化的现象产生；随浇注温度和模具预热温度的升高，初生硅平均尺寸逐渐增大；且相同条件下，有脉冲磁场处理比无脉冲磁场处理时初生硅尺寸要大；脉冲磁场工艺参数总体上对Al-20Si合金硬度无明显影响，均匀分布时整体硬度趋于一致，有偏聚分布时边部硬度高于中心区硬度。
　　3）通过改变脉冲磁场工艺参数成功制备了Al-20Si功能梯度材料，使初生硅聚集在试样边部，心部基本无初生硅。当脉冲电压在0~150V范围内变化时，随着脉冲电压的增加，初生硅形态由块状变成粗大的板条状，其平均分布宽度逐渐减小；当脉冲频率在1~10Hz范围内变化时，随着脉冲频率的增加，初生硅平均分布宽度逐渐减小；当浇注温度在690~780℃范围内或模具预热温度在400~700℃范围内变化时，随浇注温度或模具预热温度的提高，初生硅平均分布宽度先减小后有所增大，转折点分别为750℃或600℃；脉冲磁场作用下，P的加入细化了合金中的初生硅，但同时抑制了初生硅的迁移，使Al-20Si合金初生硅平均分布宽度减小；脉冲磁场处理下，Al-20Si合金偏聚区的硬度比中心区高；未处理时，中心部位和边部的耐磨性无明显差别，磁场处理或磁场和P复合处理时，边部的耐磨性明显高于中心部位。

目录

第1章 绪论

1.1 功能梯度材料的特点及应用

1.2 功能梯度材料的制备方法

1.3 脉冲磁场对合金凝固组织影响的研究现状

1.4 P、Sr、RE在铝合金中的应用

1.5 本文研究的目的和意义

第2章 实验方案与方法

2.1 实验材料及熔炼

2.2 实验装置

2.3 实验总体流程与研究方案

2.4 测试方法

第3章 P、Sr、RE对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

3.1 P变质处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

3.2 Sr变质处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

3.3 RE变质处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

3.4复合变质处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

3.5 分析与讨论

3.6 本章小结

第4章 脉冲磁场对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响

4.1 不同工艺参数对Al-20Si合金凝固组织的影响

4.2 不同工艺参数对Al-20Si合金力学性能的影响

4.3 分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 脉冲磁场和P对Al-20Si合金初生硅分布的影响

5.1 脉冲磁场对Al-20Si合金中初生硅分布的影响

5.2 脉冲磁场和P复合作用对Al-20Si合金中初生硅分布的影响

5.3 脉冲磁场和P对Al-20Si合金力学性能的影响

5.4 分析与讨论

5.5本章小结

第6章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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