自阻加热8090/2195铝锂合金双金属复合铸造组织及性能研究

作     者：朱海军 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏尊杰

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：铝锂合金 双金属复合铸造 自阻加热 界面组织 力学性能 

摘      要：双金属复合材料可以综合两种不同材料各自的优势，具备更加优异的性能。本文基于液/固复合铸造的方法，同时引入自阻加热技术对固体基板进行预热，制备8090/2195铝锂合金复合材料，探究不同的电流加载参数对固体基板预热的影响以及不同的铸造工艺参数对复合界面结合性的影响，获得最佳的双金属铸造工艺参数，对铝锂合金双金属复合材料的实际应用具有重要的参考价值。 设计制造了自阻加热装置，采用交流电对 2195 铝锂合金固体基板进行预热。实验表明，高频交流电对固体基板的加热效率最高且随着加热功率的增大，固体基板的升温速率变快，但固体基板长度方向的温差变大。使用1mm厚度TC4热阻片可对固体基板的温度场进行均匀化调控，显著减低温差并提高加热速度。通过实验，获得了不同加热功率和加热时间对固体基板表面的影响规律，在40kW功率下，使用一层1mm热阻片时的升温速率为8.12℃/s，能够使固体基板获得更高的加热速度和更小的温差。 研究了铸造工艺参数对复合界面组织和性能的影响。8090 铝锂合金的浇注温度固定为700℃，改变 2195铝锂合金固体基板的预热温度，当预热温度为 400℃时，界面无法形成冶金结合;当固体基板的预热温度为450℃、467℃、484℃和500℃时，两种合金之间可以形成冶金结合界面;继续提高固体基板预热温度为550℃时，固体基板熔化严重，不能制得合格铸件。其中2195铝锂合金预热温度为467℃的铸件界面抗拉强度最高，为 161MPa，随后界面抗拉强度随预热温度升高而下降。在冶金结合界面处，硬度由 8090 铝锂合金基体侧向 2195 铝锂合金基体侧均匀减小。不同浇注温度实验表明，当固体基板预热温度为 450℃，浇注温度为 720℃、740℃时，8090铝锂合金和2195铝锂合金均可形成冶金结合界面。界面抗拉强度随浇注温度提高而下降。在高的浇注温度下，界面处容易产生缺陷，同时Mg、Li元素的烧损也会加剧，共同导致界面强度下降。 固体基板表层的氧化膜是影响复合界面形成的关键因素。在合适的温度下，固体基板表层的氧化膜受到浇注过程中水平液流的持续冲刷，可以从基板表层剥离并破碎，熔体与固体基板洁净的基体接触，形成冶金结合界面;在复合界面处，2195铝锂合金基体会受到预热和浇注过程中的热影响，大部分第二相回溶至基体内部，在晶内和晶界处残留部分 θ′(Al2Cu)相。同时固体基板一侧的晶粒内部出现了胞状的亚结构。溶质原子的回溶和亚结构的出现分别对基体产生了固溶强化和细晶强化的效果，使基体强度提升。 8090/2195 铝锂合金液/固复合铸造冶金结合界面形成机制为熔合加扩散机制：固体基板表层在浇注时会产生熔化层，氧化膜首先剥离，熔化层与熔体熔合，同时Cu、Mg元素由高含量一侧向低含量一侧扩散;随着温度降低，熔体依附于固体基板表层形核并长大，凝固后形成冶金结合界面。