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

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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%。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第9-21页
    1.1 研究背景第9-10页
    1.2 铝铜合金及其应用现状概述第10-12页
        1.2.1 铝铜合金概述第10-11页
        1.2.2 铝铜合金应用第11-12页
    1.3 铝铜系合金时效析出相第12-13页
    1.4 铝铜合金微观组织及力学性能优化途径第13-19页
        1.4.1 合金成分优化第13-14页
        1.4.2 熔体处理第14-15页
        1.4.3 晶粒细化第15-16页
        1.4.4 铸造工艺第16-17页
        1.4.5 热处理第17-19页
    1.5 研究目的、意义及主要内容第19-21页
第2章 实验材料与实验方案第21-27页
    2.1 实验材料第21页
    2.2 实验方案第21-25页
        2.2.1 实验方法及步骤第21-23页
        2.2.2 实验方案第23-25页
    2.3 测试与表征第25-27页
第3章 铸造工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第27-37页
    3.1 浇注温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第27-31页
        3.1.1 不同浇注温度对ZL210A合金微观组织的影响第27-31页
        3.1.2 不同浇注温度对ZL210A合金力学性能的影响第31页
    3.2 铸造方法对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第31-35页
        3.2.1 不同铸造方法ZL210A合金微观组织的影响第31-33页
        3.2.2 不同铸造方法对ZL210A合金力学性能的影响第33-35页
    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第35页
    3.4 本章小结第35-37页
第4章 热处理工艺对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第37-58页
    4.1 固溶温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第37-41页
        4.1.1 固溶温度对ZL210A合金微观组织的影响第37-40页
        4.1.2 固溶温度对ZL210A合金力学性能的影响第40-41页
    4.2 固溶时间对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第41-45页
        4.2.1 固溶时间对ZL210A合金微观组织的影响第41-44页
        4.2.2 固溶时间对ZL210A合金力学性能的影响第44-45页
    4.3 淬火水温对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第45-49页
        4.3.1 淬火水温对ZL210A合金微观组织的影响第45-48页
        4.3.2 淬火水温对ZL210A合金力学性能的影响第48-49页
    4.4 时效温度对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第49-52页
        4.4.1 时效温度对ZL210A合金微观组织的影响第49-51页
        4.4.2 时效温度对ZL210A合金力学性能的影响第51-52页
    4.5 时效时间对ZL210A合金微观组织和力学性能的影响第52-56页
        4.5.1 时效时间对ZL210A合金微观组织的影响第52-54页
        4.5.2 时效时间对ZL210A合金力学性能的影响第54-56页
    4.6 热处理影响ZL210A合金微观组织和力学性能的机理分析第56页
    4.7 本章小结第56-58页
第5章 ZL210A合金性能优化第58-61页
    5.1 优化参数下的微观组织第58-59页
    5.2 优化参数下的力学性能第59-60页
    5.3 本章小结第60-61页
第6章 结论与展望第61-63页
    6.1 结论第61-62页
    6.2 展望第62-63页
参考文献第63-67页
攻读硕士期间发表论文第67-68页
致谢第68-69页
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