铸造工艺及热处理工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

摘要

Al-Cu系合金作为典型的高强韧铸造铝合金，具有比强度高、耐蚀性好、塑韧性强等优点，被广泛应用于航空航天、国防等领域。其中，ZL210A合金是我国铸造工作者在俄BAЛ10合金的基础上研制出的一种新型高强度铸造铝铜系合金。区别于ZL205A等Al-Cu系合金，ZL210A合金不含Ag和V等希贵金属，且对杂质限量也较宽，因此对金属原材料要求较低，具有很高的经济价值。但国内开展的相关研究很少，对其性能特点和相应的生产工艺还不十分了解，生产质量不稳定，尤其是目前ZL210A合金铸件的实际生产应用中，在保证其高强度的同时，其伸长率普遍偏低，有时甚至低于1％，严重制约了ZL210A合金的广泛应用。因此，深入开展ZL210A合金微观组织及其力学性能优化的实验研究，建立和完善科学合理的ZL210A合金的铸造工艺及热处理工艺，对ZL210A合金的大规模生产及推广应用具有十分重要的意义。
　　本文在ZL210A合金目前国内仅有砂型铸造和金属型铸造的基础上，开展了ZL210A合金熔模铸造实验，并进行了对比研究；还进一步系统研究了不同浇注温度、不同固溶工艺和不同时效工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响，并对影响其组织和性能的机理进行了深入的分析，得到了以下研究结果：
　　ZL210A合金熔模铸造铸态下晶粒尺寸较砂型铸造和金属型铸造都粗大，平均晶粒尺寸为176μm，晶界上有较多的共晶网状组织，基体中存在大量弥散的细小T相质点，铸态下其抗拉强度、屈服强度和硬度分别为187MPa、67MPa和60HV，较砂型铸造的198MPa、83MPa和61HV和金属型铸造的220MPa、94MPa和65HV均稍低，而在伸长率方面，熔模铸造的伸长率为9%，与金属型相同，高于砂型铸造试样的伸长率7%，ZL210A合金也适合于熔模铸造。
　　不同浇注温度下，ZL210A合金的铸态组织都是由等轴晶结构的α（Al）基体和晶间α（Al）+θ（Al2Cu）+T（Al12CuMn2）相的共晶组织以及晶内一些粗大θ（Al2Cu）相构成，且随浇注温度升高，ZL210A合金晶粒逐渐长大，晶间共晶数量不断增加，力学性能下降；在浇注温度690℃时，ZL210A合金的抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率分别为199MPa、88MPa、70HV和8.5%，达到最佳值。
　　通过对ZL210A合金固溶温度和固溶时间的研究发现，固溶温度和固溶时间分别为540℃和11h时，ZL210A合金中的Cu等溶质原子溶于α（Al）基体的程度基本达到饱和，铸态粗大共晶组织充分溶解，晶界细小平滑，晶内弥散分布大量细小质点，有利于获得良好的固溶体组织，合金具有最佳的力学性能。
　　淬火水温对ZL210A合金的微观组织和力学性能也有一定的影响，随淬火水温的升高，ZL210A合金的晶粒尺寸不断增加，析出相在晶界附近不断聚集，形成块状或针状的粗大组织，ZL210A合金的力学性能则随淬火水温的升高先增加后减少，淬火水温为50℃时，ZL210A合金力学性能最佳。
　　另外，通过对ZL210A合金不同时效温度和不同时效时间的析出相尺寸和形貌分析，确定了ZL210A合金最佳的时效工艺参数，时效温度和时效时间分别为150℃和6h时，得到了最佳的强塑性组合，显著提高了合金的伸长率，改善了ZL210A合金的微观组织和力学性能。
　　通过选用优化后的工艺参数进行时效态实验，保证了砂型铸造在强度不低于417MPa的基础上，伸长率可以达到8%，金属型铸造在强度不低于431MPa的基础上，伸长率可以达到9%，熔模铸造在强度不低于415MPa的基础上，伸长率可以达到6%。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 铝铜合金及其应用现状概述

1.3 铝铜系合金时效析出相

1.4 铝铜合金微观组织及力学性能优化途径

1.5 研究目的、意义及主要内容

第2章 实验材料与实验方案

2.1 实验材料

2.2 实验方案

2.3 测试与表征

第3章 铸造工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

3.1 浇注温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

3.2 铸造方法对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

3.3 铸造工艺影响ZL210A合金微观组织和力学性能的机理分析

3.4 本章小结

第4章 热处理工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.1 固溶温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.2 固溶时间对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.3 淬火水温对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.4 时效温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.5 时效时间对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响

4.6 热处理影响ZL210A合金微观组织和力学性能的机理分析

4.7 本章小结

第5章 ZL210A合金性能优化

5.1 优化参数下的微观组织

5.2 优化参数下的力学性能

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢

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