【摘要】：Al-Cu合金是一類典型的高強韌鋁合金,具有較高的力學(xué)性能、良好的加工能力、優(yōu)良的耐熱性能等,在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高性能鑄造Al-Cu合金往往需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素,如Fe和Si。因此被迫大量使用低雜質(zhì)含量的電解鋁。隨著廢雜鋁存量的日益增加,雜質(zhì)控制難度顯著增大,為了實現(xiàn)廢鋁的循環(huán)再利用,順應(yīng)綠色鑄造、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展趨勢,開發(fā)高性能、低成本的新型鋁銅合金材料,探索相應(yīng)的材料制備與成形新技術(shù),對拓展Al-Cu合金的應(yīng)用具有重要意義。本文以高Fe、Si含量的鑄造Al-5.0Cu-0.6Mn合金為研究對象,基于超聲處理、中和變質(zhì)和擠壓鑄造等手段,利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、差熱分析(DSC)、X射線衍射(XRD)、和同步輻射X射線斷層掃描(SRXCT)等手段,分析了Si含量、擠壓壓力、超聲處理以及壓力超聲復(fù)合作用對合金微觀組織和力學(xué)性能的影響,重點探討了合金中的富鐵相形成特點及其作用。論文的主要結(jié)論如下:(1)Si含量和擠壓壓力顯著影響鑄態(tài)和熱處理態(tài)高鐵含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微觀組織和力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe含量為0.7%和1.2%時,隨著Si含量由0%增加到1.1%,鑄態(tài)合金中的富鐵相由Al_3(FeMn)和或Al_6(FeMn)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe;在重力鑄造下,合金的強度隨著Si含量的增加而降低,而在擠壓鑄造下則隨著Si含量的增加而緩慢增加,主要原因是壓力使合金中的孔洞消失,細小的α-Fe起釘扎作用阻止位錯運動。(2)熱處理態(tài)合金中,在0.7Fe和1.2Fe合金中,隨著Si含量由0%增加到1.1%,富鐵相由α(CuFe)向α-Fe轉(zhuǎn)變。合金強度隨著Si含量的增加而增加,主要原因是Si促進細小緊湊結(jié)構(gòu)α-Fe的形成和析出彌散分布的T相。75 MPa擠壓壓力下,T5熱處理狀態(tài)的Al-5.0Cu-0.6Mn-0.7Fe-0.5Si合金獲得較佳的綜合力學(xué)性能,其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為370 Mpa、270 MPa和8.7%,相對常規(guī)高強韌鑄造鋁合金,F該e合、S金i對雜質(zhì)含量的要求大幅降低。(3)超聲處理和擠壓壓力對Al-5.0Cu-0.6Mn-0.6Fe的微觀組織和力學(xué)性能有顯著影響,對比研究重力場、超聲場、壓力場和超聲壓力復(fù)合場下合金的組織和性能發(fā)現(xiàn),超聲壓力復(fù)合場能明顯細化合金中的α-Al枝晶,Al_2Cu和富鐵相,消除擠壓鑄造出現(xiàn)的雙峰組織,去除合金中的氣孔,獲得均勻且細小的組織。超聲壓力復(fù)合場下合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別比相應(yīng)壓力場下合金提高8.1%、5.5%和33.6%,比重力鑄造合金提高64.5%、58.7%和311.9%。(4)復(fù)合場處理時間影響Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微觀組織。分別超聲處理30 s和120 s后發(fā)現(xiàn):120 s超聲處理后,超聲壓力復(fù)合場中的合金組織更均勻細小,原因可能是在更長的超聲處理時間下,復(fù)合場下的合金冷卻速度高于其他單一場作用下的合金冷卻速度。(5)澆注溫度對超聲壓力復(fù)合作用Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe合金微觀組織有一定影響。在含0.5Fe和0.5Si的合金中,當(dāng)澆注溫度為710oC時,合金中的晶粒尺寸和二次枝晶的尺寸最小,合金的力學(xué)性能最佳。(6)采用同步輻射X射線技術(shù)三維重構(gòu)了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中富鐵相和Al_2Cu的形貌特征。發(fā)現(xiàn)富鐵相和Al_2Cu都是空間相互連通的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.0Fe合金中富鐵相和Al_2Cu的表面平均曲率都比0.5Fe合金的高。1.0Fe合金中富鐵相的節(jié)點長度比0.5Fe合金的長,而Al_2Cu的節(jié)點長度變化與之相反。這是因為Fe含量增加,富鐵相由緊湊的漢字狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀,而Al_2Cu的形成受合金凝固后期α-Al和富鐵相共晶反應(yīng)的影響。(7)采用同步輻射X射線技術(shù)三維重構(gòu)了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中孔洞的形貌特征。合金中的孔洞主要有等軸狀相互連通的收縮凝固孔洞和近球狀的氫氣孔�？锥吹那蛐味戎饕植荚�0.4-1.0之間,等效直徑分布在10-20μm之間,其球形度與等效直徑遵循冪函數(shù)關(guān)系。1.0Fe合金中孔洞的平均曲率正值比0.5Fe合金的多,且收縮凝固孔洞平均曲率正值較高的部分與共晶反應(yīng)接觸,而平均曲率負值較高的部分與鋁枝晶尖端接觸。(8)對超聲壓力復(fù)合場下高Fe、Si含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金進行了微觀組織的三維重構(gòu),從三維角度更全面地說明了超聲壓力復(fù)合作用可以明顯地細化合金中的富鐵相(α-Fe)和Al_2Cu,抑制合金中的孔洞,使合金中的組織更加細小和分布更加均勻。
【圖文】：

[5]。圖1-1 （a）鋁合金在所有材料中的密度和強度關(guān)系[6]；（b）鋁合金在汽車車身和飛機上的應(yīng)用[7, 8]。Fig. 1-1 (a) The relationship of desity and strength of aluminium alloy in different materials;(b) the application of aluminium alloys in the field of automobile and airplane通過提高鋁合金的純凈度，并降低合金的雜質(zhì)含量，是獲得高性能鋁合金的一個重要發(fā)展方向和有效途徑[9, 10]。鋁合金中常見的雜質(zhì)元素有Fe和Si等，且其對合金的力學(xué)性能危害較大[11]。因此，目前絕大多數(shù)高強鋁合金都對Fe和Si都限制在較低的含量。例如，我國研發(fā)的高強韌鑄造鋁合金ZL205A，，F(xiàn)e和Si含量要求分別不大于0.15和0.06 wt.%（下文統(tǒng)一為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，除非另外說明）。在206.0Al-Cu合金中的最大含F(xiàn)e和Si雜質(zhì)含量分別低于0.15和0.10 %，在A206.2 Al-Cu合金中Fe和Si雜質(zhì)含量低于0.10和0.05 %[12]。在

（b）全球原鋁，再生鋁合金所占比例趨勢變化圖 1-2 全球原鋁，再生鋁合金和鋁合金總量變化趨勢[11]ration of global primary aluminium production, recycling prometal productionl-Cu 合金的中和變質(zhì)處理了抑制Al-Cu合金中富鐵相的危害并提高合金的力學(xué)性能徑是通過物理外場（如超聲場、磁場、壓力場和復(fù)合場）[布；另一種途徑是添加Mn、Si、Co和Cr等[22-44]元素進行中 Al-Cu 合金中添加不同的合金元素，如 Mn、Ti、Ni、V 和強和耐熱鋁合金。Al-Cu 合金的共晶溫度為 548 °C，共晶
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21

【參考文獻】

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本文編號：2688856