微合金化及磁场处理对Al-10％Ni合金凝固组织及性能的影响

摘要

Al-Ni合金是一种重要的轻型结构材料，它秉承了铸造铝合金良好的铸造性能以及高的导电、导热性能，同时具有比强度高、流动性好和抗高温氧化性能等优点。合金化处理和磁场处理这两大工艺一直是人们研究的焦点，合金化处理具有净化熔体、变质细化等效果，磁场处理具有环保、操作便捷和效果突出等优点。本文研究了微量元素RE、Sr、Zr和稳恒磁场、脉冲磁场、交变磁场对Al-10％Ni合金凝固组织及力学性能的影响，研究结果表明：
　　1) RE、Sr和Zr合金化显著改变了Al-10%Ni合金的凝固组织。随着RE含量的升高，Al3Ni相先细化后粗化，当RE含量为0.4%时，组织细化最明显。随着Sr、Zr含量的升高，Al3Ni相逐渐细化。添加RE后合金中出现了Al3Ce和Al4Ce新相，添加Sr后合金中出现了AlSr新相，添加Zr后合金中出现了Al2Zr和Al3Zr新相。随着RE、Sr含量的升高，合金的硬度有所降低；随着Zr含量的升高，合金的硬度逐渐提高；加入0.4%的RE或0.6%的Sr后，合金的抗拉强度和伸长率都有所降低；加入0.6%的Zr后，合金的抗拉强度提高了20%，伸长率降低了46%。
　　2)稳恒磁场处理显著改善了Al-10%Ni合金的凝固组织。在0-1.5T范围内，随着磁感应强度的增加，Al3Ni相分布更均匀，在平行于磁场方向的截面上Al3Ni相发生定向排列，且定向排列程度逐渐提高，间距逐渐减小。α-Al的（311）晶面的生长受到抑制，在（111）晶面形成了择优取向；Al3Ni相在（hk0）面的衍射强度增强，在其它方向的衍射强度减弱甚至消失，且发生c轴取向。铝基体的晶格常数普遍比无磁场时的低。稳恒磁场处理后，合金硬度总体有所提高，当磁感应强度为1.1T时，合金的抗拉强度提高了3.1%，伸长率提高了41.6%。
　　3)在脉冲磁场的作用下，通过改变工艺参数，可以显著细化Al-10%Ni合金的凝固组织，Al3Ni相由粗大长条状转变为细小颗粒状。在0-300V范围内，随着脉冲电压的增大，Al3Ni相先粗化后细化；当脉冲电压为250V时，Al3Ni相最细小。在0-10Hz的范围内，随着脉冲频率的增加，Al3Ni相逐渐细化。无论是否施加脉冲磁场处理，随着浇注温度或铸型预热温度的降低，Al3Ni相均逐渐细化。施加脉冲磁场后，基体α-Al在（200）晶面结晶取向受到抑制，分别在（111）和（311）晶面形成了新的择优取向。当脉冲电压为200V时，合金的抗拉强度提高了40%，但伸长率降低了20%。
　　4)在0-250V范围内，随着交变电压的升高，Al3Ni相是先细化后粗化；当交变电压为150V时，Al3Ni链状组织最细；当交变电压为250V时，Al3Ni相虽有所粗化，但晶体破碎较严重。随着铸型预热温度的升高， Al3Ni相逐渐粗化。随着浇注温度的升高，Al3Ni相逐渐细化。施加交变磁场后，基体α-Al在（111）面形成了择优取向，在（200）面择优取向受到了抑制；Al3Ni相在（112）、（020）、（101）、（131）晶面出现了新的择优取向。交变磁场处理后合金的抗拉强度和硬度有所提高；当交变电压为200V时，抗拉强度提高了5%，硬度提高了8.8%，但伸长率降低了11%。

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第1章 绪论

1.1 铝及铝合金概述

1.2 铝合金凝固组织细化方法

1.3 RE、Sr、Zr在铝合金中的应用

1.4 磁场作用下合金凝固研究进展

1.5 本文研究的意义和内容

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 实验方案

2.4 测试方法

第3章 RE、Sr、Zr含量对Al-10%Ni合金凝固组织及性能的影响

3.1 RE含量对合金凝固组织的影响

3.2 Sr含量对合金凝固组织的影响

3.3 Zr含量对合金凝固组织的影响

3.4 RE、Sr、Zr含量对合金力学性能的影响

3.5 分析与讨论

3.6 本章小结

第4章 稳恒磁场对Al-10%Ni合金凝固组织及性能的影响

4.1 稳恒磁场对合金凝固组织的影响

4.2 稳恒磁场对合金结晶取向的影响

4.3 稳恒磁场对铝基体晶格常数的影响

4.4 稳恒磁场对合金力学性能的影响

4.5 分析与讨论

4.6 本章小结

第5章 脉冲磁场对Al-10%Ni合金凝固组织及性能的影响

5.1 脉冲磁场对合金凝固组织的影响

5.2 脉冲磁场对合金结晶取向的影响

5.3 脉冲磁场对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 交变磁场对Al-10%Ni合金凝固组织及性能的影响

6.1 交变磁场对合金凝固组织的影响

6.2 交变磁场对合金结晶取向的影响

6.3 交变磁场对合金力学性能的影响

6.4 分析与讨论

6.5 本章小结

第7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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