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激光粉末床熔融成形含钛Al-Mg-Si合金的显微组织与力学性能

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激光粉末床熔融成形含钛Al-Mg-Si合金的显微组织与力学性能

作者：肖小军华南理工大学

学位级别：硕士

制备出高性能、精密复杂的铝合金零部件是激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LBPF)成形技术面临的难题之一。Al-Mg-Si合金具有高塑性、低成本的潜力,但Al-Mg-Si合金的凝固温度区间较宽,易于在LPBF成形凝固后期产生热裂纹;且目前... 详细信息

制备出高性能、精密复杂的铝合金零部件是激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LBPF)成形技术面临的难题之一。Al-Mg-Si合金具有高塑性、低成本的潜力,但Al-Mg-Si合金的凝固温度区间较宽,易于在LPBF成形凝固后期产生热裂纹;且目前传统牌号Al-Mg-Si合金的强度仍然偏低,需要在消除热裂纹的基础上进一步提高其强度。成分优化与显微组织调控是解决热裂与强度问题的主要途径。本文采用低能球磨法制备出TiH/Al-Mg-Si复合粉末,通过LPBF技术制备出无裂纹含钛Al-Mg-Si合金;在添加TiH的基础上,同时添加亚微米MgSi颗粒进一步调控含钛Al-Mg-Si合金成分与显微组织,提高合金的综合力学性能。在成分优化的基础上,对LPBF工艺参数与热处理工艺参数进行优化以进一步提高合金的综合力学性能,旨在为LPBF技术制备高性能、低成本的铝合金提供技术参考。对比分析了不同TiH添加量的含钛Al-Mg-Si合金热裂情况、显微组织与力学性能,并在最佳TiH添加量基础上优化LPBF成形工艺参数。结果表明:当添加1 wt.%TiH颗粒,工艺参数为激光功率300 W、扫描速率1000 mm/s时,含钛Al-Mg-Si合金成形质量最佳,平均晶粒尺寸为2.53μm,抗拉强度为274 MPa,断后伸长率为18%。TiH热分解产生的Ti元素与铝熔体原位反应形成L1-AlTi形核质点,具有良好的异质形核作用,显著地细化晶粒,抑制粗大柱状晶粒和裂纹的形成。TiH添加导致的晶粒细化、裂纹消除及第二相强化有利于提高合金的抗拉性能。在添加1 wt.%TiH的基础上,同时在铝基复合粉末中添加了不同含量的MgSi颗粒。对比分析了不同MgSi添加量的含钛Al-Mg-Si合金显微组织和力学性能,并在添加MgSi颗粒的基础上优化了LPBF成形工艺参数。结果表明:当添加2 wt.%MgSi颗粒,工艺参数为激光功率270 W、扫描速率1000 mm/s时,含钛Al-Mg-Si合金成形质量较好。合金抗拉强度为328 MPa,断后伸长率为12.6%,合金平均晶粒尺寸减小到1.99μm。MgSi颗粒在激光作用下溶解,熔体中的Mg、Si元素含量增加,抑制Ti元素的固溶,有利于析出更多的AlTi形核质点,故MgSi颗粒的加入促进晶粒尺寸进一步减小。MgSi颗粒添加导致β??强化相析出量增多,平均晶粒尺寸减小,有利于提高合金的抗拉性能。优化了含钛Al-Mg-Si合金T6热处理工艺,分析了T6热处理对其物相与力学性能的影响。结果表明:540℃固溶1 h,180℃人工时效8 h为最佳热处理工艺。经优化的T6热处理后,含钛Al-Mg-Si合金的抗拉强度为373 MPa,断后伸长率为14.0%;含钛Al-Mg-Si合金中共晶MgSi数量减少,析出大量的β??强化相。大量β??强化相的析出有利于含钛Al-Mg-Si合金抗拉强度的提升,而共晶MgSi数量减少有利于含钛Al-Mg-Si合金断后伸长率的提升。

关键词：激光粉末床熔融 Al-Mg-Si合金热裂显微组织调控热处理

液态亚共晶Al-4.5%Si合金中定向枝晶生长与组织调控

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中国有色金属学报 2024年第6期34卷 1938-1951页

作者：王昕王建元翟薇西北工业大学物理科学与技术学院西安710072

采用高温端上升式Bridgman定向凝固实验技术,在0.1~100μm/s跨三量级宽速域生长条件下,系统研究亚共晶Al-4.5%Si合金的组织形态演变机制,实现从平面晶到胞晶再到枝晶的全过程组织调控。当液相温度梯度保持200 K/cm恒定时,发现固液界面... 详细信息

采用高温端上升式Bridgman定向凝固实验技术,在0.1~100μm/s跨三量级宽速域生长条件下,系统研究亚共晶Al-4.5%Si合金的组织形态演变机制,实现从平面晶到胞晶再到枝晶的全过程组织调控。当液相温度梯度保持200 K/cm恒定时,发现固液界面失稳的临界生长速度为0.43μm/s,而发生胞枝晶转变的生长速度阈值是3.3μm/s。理论计算揭示出组成过冷(Composition supercooling,CS)区分布范围是2.6~10mm,相应的最大过冷度为2~193.8 K,而实际糊状区长度在2.8~6.2 mm区间变化。实验结果表明,定向枝晶生长模型Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)能够合理预测初生α(Al)枝晶顶端半径、顶端温度和顶端成分,而Hunt一次枝晶间距模型和Kurz-Fisher二次分枝间距模型均与实测结果相一致。初生α(Al)枝晶间的(α(Al)+Si)共晶生长机制定性地符合Jackson-Hunt(JH)经典共晶生长理论。

关键词：枝晶生长共晶生长定向凝固固液界面显微组织调控

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高强β钛合金的发展现状与强化方法

北京工业大学学报 2024年第5期50卷 620-631页

作者：周宗熠相志磊马小昭申高亮韩竟俞陈子勇北京工业大学材料与制造学部北京100124 中国航空制造技术研究院北京100024

钛合金是比强度最高的金属材料之一,广泛应用在航空航天领域。随着材料技术的进步,人们对高强钛合金的研究与开发也逐渐深入。综述了国内外高强β钛合金的发展现状与主要的强化方式。重点介绍了Ti-13-11-3、Ti-l023、Ti-5553以及Ti-5553... 详细信息

钛合金是比强度最高的金属材料之一,广泛应用在航空航天领域。随着材料技术的进步,人们对高强钛合金的研究与开发也逐渐深入。综述了国内外高强β钛合金的发展现状与主要的强化方式。重点介绍了Ti-13-11-3、Ti-l023、Ti-5553以及Ti-55531等典型高强钛β合金。梳理了高强β钛合金的设计思路,指出了限制高强β钛合金向更优性能发展的瓶颈并提出了可能的解决途径。总结了固溶强化、析出强化、加工硬化、细晶强化以及增材技术等高强β钛合金的强化方法,以期为进一步提高高强β钛合金的强度、优化高强β钛合金综合性能提供指导。

关键词：高强β钛合金研究现状强化方法析出相显微组织调控强-塑性匹配

形变球化处理对铁素体—珠光体钢腐蚀行为和力学性能的影响

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形变球化处理对铁素体—珠光体钢腐蚀行为和力学性能的影响

作者：郭佳明太原科技大学

学位级别：硕士

随着国际原油海运业的蓬勃发展,油船运输的安全问题日益受到人们的广泛关注。油船货油舱(COT)是油船上承载原油的主体结构,其内底板的腐蚀失效是油船发生原油泄漏事故的重要原因,不仅造成巨大的经济损失,而且会严重污染海洋生态环境并... 详细信息

随着国际原油海运业的蓬勃发展,油船运输的安全问题日益受到人们的广泛关注。油船货油舱(COT)是油船上承载原油的主体结构,其内底板的腐蚀失效是油船发生原油泄漏事故的重要原因,不仅造成巨大的经济损失,而且会严重污染海洋生态环境并威胁海运人员人身安全。本文通过在模拟货油舱内底板的腐蚀环境,以微电偶效应理论和细晶强化为理论,针对两种碳含量不同的Q235铁素体-珠光体钢和T8全珠光体钢,通过力学性能表征、腐蚀形貌表征、腐蚀失重实验和电化学测试等方法,研究了形变球化处理前后对两种钢力学性能及耐蚀性的影响。本文主要研究内容和结论如下:(1)通过对比Q235钢和经过形变球化工艺处理后材料的力学性能表征实验。结果表明,Q235钢在经过形变球化工艺处理后材料的硬度由134 HV0.2提高到137 HV0.2,抗拉强度由345 MPa提升至402 MPa,屈服强度由223 MPa提升至246 MPa同时伸长率由27%提升到28%。这主要由于形变球化处理可以使晶粒得到细化,晶界增多,晶界对位错的阻碍作用使得材料在变形时,位错发生堆积,材料的硬度和塑韧性得到改善。此外,球化后水冷尽管对材料显微组织形貌没有任何影响,但水冷的冷却速度较快,会使材料保持较高的内应力,维持较高的硬度值。腐蚀形貌表征实验表明,随着浸泡时间的延长,Q235钢大片层状渗碳体相较于粒状渗碳体更难脱落,其厚度由120h的7.77μm增加到216h的13.78μm。形变球化后渗碳体厚度由120h的3.05μm增加到216h的3.82μm。失重实验表明,Q235钢前期年腐蚀速率加快较为明显,随着实验时间的延长,年腐蚀速率从24h的4.52 mm/a增加到216h的6.06 mm/a。相比较而言,形变球化后的钢腐蚀速率低于Q235钢,年腐蚀速率从24h的3.66 mm/a增加到216h的4.62 mm/a。电化学测试结果表明,形变球化后的样品腐蚀电流密度较低,且低频阻抗模值较高,形变球化后的钢表现出较好的耐蚀性。(2)T8钢为共析钢,含碳量较高,渗碳体量较多,其本身就具有较高的强度。力学性能表征实验结果表明,T8钢在经过形变球化工艺处理后硬度由286 HV0.2提高到308 HV0.2,伸长率由1%显著提升到21%,但是抗拉强度由977 MPa下降至838 MPa。形变球化后,尽管材料的强度降低,但是部分力学性能得到了优化,如硬度和塑韧性。这是因为球化后的渗碳体减小了对位错的阻塞作用,细小的晶粒在受到外力时更容易将力传递到其它晶粒当中,减小了材料内部应力集中的效果,使T8钢的塑韧性大大提升。球化后的水冷方式也使得材料内部保持较高的内应力,维持较高的硬度。腐蚀形貌表征实验表明,由于T8钢大片层状渗碳体排列更为致密,相较于粒状渗碳体更难脱落,其厚度由120h的15.39μm增加到216h的39.27μm。形变球化后渗碳体厚度由120h的3.09μm增加到216h的13.26μm。失重实验表明,T8钢随着实验时间的延长,年腐蚀速率从24h的4.99 mm/a增加到216h的8.04 mm/a。相比较而言,形变球化后的钢腐蚀速率低于T8钢,年腐蚀速率从24h的4.70 mm/a增加到216h的5.17 mm/a。电化学测试结果表明,形变球化材料的腐蚀电流密度较低,且低频阻抗模值较高,形变球化后的钢表现出较好的耐蚀性。

关键词：形变球化工艺显微组织调控微电偶效应力学性能耐蚀性

高导热近共晶型Al-Ni系合金的组织调控及流变特性研究

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高导热近共晶型Al-Ni系合金的组织调控及流变特性研究

作者：钟扬霖广东工业大学

学位级别：硕士

新一代电子通讯、新能源车等领域迅猛发展,其中使用的功率密集型电子器件的有效散热问题亟待解决,迫切需要导热性能优异的热管理材料。铝合金兼具轻量化和高导热等优势,已在电子器件和系统的散热部件领域广泛应用。当前传统高导热铝合金... 详细信息

新一代电子通讯、新能源车等领域迅猛发展,其中使用的功率密集型电子器件的有效散热问题亟待解决,迫切需要导热性能优异的热管理材料。铝合金兼具轻量化和高导热等优势,已在电子器件和系统的散热部件领域广泛应用。当前传统高导热铝合金如Al-Si系铸造合金具有良好的可铸性,但铸态下导热系数很难突破200 W/(m·K)。本课题选择低固溶度Ni元素,以近共晶Al-5Ni合金为基体合金,对其微量添加元素进行显微组织调控,该合金有望兼具优异的导热性能和可铸性。本课题对近共晶Al-5Ni合金微量添加的元素为0～0.5wt.%半金属Si元素、稀土元素Ce、过渡族Fe、Co、Cu元素。首先通过重力铸造制备Al-5Ni-X合金。然后通过O M、SEM、Xrd研究其显微组织和物相组成。最后结合α-Al晶粒面积统计结果评价微添加元素的变质效果。结果表明,随着合金元素含量的增加,α-Al晶粒均呈现出先细化后粗化特征,共晶AlNi相则由会先球化再粗化。合金化元素含量过高(例如0.5wt.%)时会进一步与Al基体发生冶金反应,析出粗大的第二相(例如Al-5Ni-0.5Fe存在长棒状AlFe相,Al-5Ni-0.5Co树枝状AlCo相),同时削弱合金化元素的变质效果。由于Ni元素在Al中固溶度极低,所以Al-5Ni-X合金第二相尺寸和分布是影响其导热性能的主要因素。本课题通过Maxwell模型量化第二相球形度,结果表明,该合金第二相球形度与导热系数呈正比例关系。球状第二相对自由电子运动的干扰程度较低,减少了自由电子传热运动时受到散射的概率。因此Al-5Ni-X合金第二相球形度越高,其导热性能越好。微量添加0.1wt.%Ce时,Al-5Ni-X合金第二相球形度增加,其铸态下导热系数则由211.41 W/(m·K)提升到219.35 W/(m·K)。流变行为测试表明,微量添加0.5wt.%上述元素均能在小幅降低Al-5Ni合金表观粘度。测试温度为550°C～575°C时,表观粘度上升速率不一,0.5wt.%Ce添加时上升速率最低,而0.5wt.%Fe添加时上升速率最高。通过幂律模型拟合得到的流变因子n-1能反映合金熔体的表观粘度在剪切速率提高时的下降趋势,即剪切稀薄效应的剧烈程度。线性拟合得出的n-1值越小,表观粘度下降趋势越明显。Fe、Co、Si元素的添加能明显降低n-1的值。其中Al-5Ni-0.5Si合金在640°C时n-1值最小,为-1.636 Pa·s,相比于Al-5Ni合金,其降低幅度为23.0%。表观粘度值越低、粘度下降趋势越明显,越有利于该合金熔体压铸充型,合金可铸性越好。综上,本课题所开发的Al-5Ni-X系列合金铸态下导热系数能突破200 W/(m·K)。同时阐明合金化元素对该合金显微组织、导热性能以及流变行为的影响,能为该合金工业化生产提供理论参考和实践储备。

关键词：近共晶Al-5Ni合金显微组织调控导热性能流变行为