AlCuFe系准晶在铝基复合材料中的应用

摘要

Al-Si合金因为其具有密度小、比强度好、导热性能好、易于成型等优点被广泛应用于工业各个领域中。然而随着时代的发展，航空航天还有汽车制造业对铝硅合金的性能有了更高的要求，同时铸造铝硅合金中初晶硅粗大的问题严重降低了铝合金的性能。但是通过向合金中添加增强颗粒的办法可以有效细化晶粒并提高铝硅合金的强度。而AlCuFe准晶因为其优异的硬度、高的耐磨性还有与铝合金基体优良的润湿性使其特别适合作为铝硅合金的强化相。
　　本文首先通过传统铸造法分别制备了Al64Cu24Fe12准晶合金，并研究了冷却速度对制备Al64Cu24Fe12准晶的影响，结果显示:铸态时，试样中的主要组成相基本相同为λ((Al-Cu)13Fe4)、I(Al64Cu24Fe12)、β(τ)(Al(Fe，Cu))、η(AlCu)相。其中冷却速度越大准晶合金的微观组织晶粒越细小，对先析出相λ相的抑制越明显。经过820℃保温6h热处理后所有试样中都得到成分趋于单一的I相。而与其他试样相比，冷却速度最快的试样表面组织形貌更加平整，I相更加均匀单一化。
　　制备出高纯的准晶颗粒后，我们通过挤压铸造法和适当的热处理工艺制备了Al64Cu24Fe12准晶增强ZL101复合材料，并用金相显微镜、扫描电镜以及能谱仪研究了复合材料的微观组织。结果发现在制各的复合材料中几乎没有准晶相的残留，而是生成了另一种强化相β(Al65-75Si13-26Fe3-10)相。但是随着准晶颗粒的加入复合材料的性能却得到了极大的提升。纯的ZL101合金经过热处理后的抗拉强度为209Mpa，加入4wt.％、7wt.％、10wt.％和13wt.％的准晶颗粒后抗拉强度分别增大到230、265、355和244Mpa，与之相应的，当加入10wt.％的准晶时复合材料的硬度达到最高的146.89HV。然而大于10wt％的准晶颗粒时准晶颗粒发生了团聚现象，这使得复合材料的整体性能下降。
　　在本文中，我们还通过用Cr原子替换Al64Cu24Fe12准晶中部分Fe原子的方法制备出了“四元准晶相”—Al65Cu20Fe10Cr5相。并用扫描电镜、X射线衍射法、透射显微镜深入分析了该相的微观组织和结构特点。结果发现在该相中二十面体准晶相和二维十次准晶相的电子衍射结构同时存在。这说明Al65Cu20Fe10Cr5相实质上是两种相的混合体。说明Cr元素的加入使部分稳定的准晶I相分解而转变为十次准晶d相。此外，通过金相显微镜、X射线衍射法、扫描电镜以及差示扫描量热仪等检测方法研究了Al64Cu24Fe10Cr2和Al64Cu24Fe8Cr4合金在升温过程中的相转变过程，从而确定了合适的热处理工艺（870-900℃保温0.5h后水淬）来得到几乎纯的准晶I相和d相。
　　制备出高纯度的AlCuFeCr准晶后，我们通过与AlCuFe准晶相同的工艺将它加入到ZL101合金中，结果发现制备的复合材料的微观组织和相组成基本没有发生变化。力学性能相较于纯的ZL101而言有了巨大提升，抗拉强度提升了39.71％，延伸率提高了56.96％，硬度提高了41.11％。但整体性能的提升不如AlCuFe准晶，因此AlCuFe准晶比AlCuFeCr准晶更适合作为提升ZL101合金性能的外加颗粒。

目录

声明

摘要

1．1．1 铝及铝硅合金的性能

1．1．2 ZL101的应用现状及问题

1．2 准晶的概述

1．2．1 准晶的发现

1．2．2 准晶的分类

1．2．3 准晶的制备

1．2．4 准晶的性能及应用

1．3 Al-Cu-Fe准晶的相与成分

1．4 Al-Cu-Fe准晶的性能

1．5 准晶增强铝基复合材料的强化机制

1．6 Al-Cu-Fe准晶的研究进展

1．6．2 国内研究进展

1．7 Al-Cu-Fe-Cr准晶的研究进展

1．8 本课题的研究意义、目的和内容

1．8．1 本课题的研究意义和目的

1．8．1 本课题的内容

2 实验方案和研究方法

2．1．2 Al-Cu-Fe-Cr准晶成分的设计

2．1．3 基体合金的选择

2．2 实验方案

2．3 实验过程

2．3．2 准晶增强ZL101复合材料的制备

2．4 实验的主要设备和测试方法

2．4．1 制备准晶的主要实验设备和测试方法

2．3．2 复合材料的主要实验设备和测试方法

3 AlCuFe准晶的制备及对冷却速度影响的研究

3．1 准晶合金的显微组织分析

3．2 冷却速度对制备AlCuFe准晶的影响

3．2．3 铸态XRD分析

3．2．4 热处理后金相组织分析

3．2．5 热处理后XRD分析

3．2．6 热处理后EDS分析

3．3 本章小结

4 (Al64Cu24Fe12)p／ZL101复合材料的研究

4．1 实验方法

4．2 (Al64Cu24Fe12)p／ZL101复合材料铸态组织分析

4．3 不同准晶加入量的热处理态复合材料微观组织分析

4．4 实验过程中出现的炉渣分析

4．5 热处理态复合材料的成分分析

4．6 力学性能分析

4．7 断口分析

4．8 本章小结

5 AlCuFeCr准晶的研究与制备

5．1 实验方法

5．2 铸态AlCuFeCr准晶合金微观组织结构分析

5．3 AlCuFeCr准晶合金的微观硬度分析

5．4 AlCuFeCr准晶合金的DSC分析

5．5 热处理后的微观组织分析

5．6 AlCuFeCr准晶增强ZL101复合材料的制备与研究

5．6．1 实验过程

5．6．2 微观组织与性能

5．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间所取得的科研成果

致谢