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快速凝固AlFeVSi耐热铝合金组织性能及大规格材料制备工艺的研究

作　者: 肖于德
导　师: 黎文献
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 耐热铝合金快速凝固大规格喷射沉积工艺组织性能冷轧板制备工艺粉末冶金技术高温塑性变形激活能Q
分类号: TF124
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

快速凝固耐热铝合金是一种高比强、高比刚、耐高温轻质结构材料，可在150-350℃（甚至更高）的温度范围内替代钛合金或钢材使用。过去多采用快速凝固制粉（雾化制粉、或平面流甩带—研磨制粉）—粉末冶金技术来制备，然而，在制备大规格构件时，喷射沉积集快速凝固、半固态加工和近终成形加工于一体，具有其独到优势得到了普遍关注，有可能成取代为快速凝固制粉工艺，用于研制快速凝固耐热铝合金大规格材料。本论文综合评述了快速凝固耐热铝合金、快速凝固—粉末冶金技术以及喷射沉积工艺的研究进展与现状，针对快速凝固AlFeVSi合金研究中发现的异常现象，以及研制喷射沉积AlFeVSi合金大规格管材和锻件所急需解决的问题，以快凝粉末AlFeVSi合金为对比材料，开展了如下几个方面的研究工作。研究了喷射沉积AlFeVSi合金坯及其成型制品的组织性能特征。结果表明，喷射沉积AlFeVSi合金坯中存在微观组织不均匀性，但采用合适的工艺，仍然可以制备高性能喷射沉积AlFeVSi合金材料。研究了快速凝固AlFeVSi合金高温热暴露过程中Al₁₂（Fe，V）₃Si颗粒粗化行为以及组织热稳定性。结果表明，快凝细粉AlFeVSi合金高温热暴露时，低于500℃，Al₁₂（Fe，V）₃Si仅发生Ostwald粗化，高于550℃，Al₁₂（Fe，V）₃ Si则在晶界聚集，甚至有θ-Al₁₃Fe₄针、块状相形成。伴随着颗粒粗化和晶粒长大，出现位错反常增殖现象。Al₁₂（FeV）₃Si相颗粒粗化行为服从LSW颗粒粗化模型，其粗化速率由Fe溶质原子的体扩散和界面扩散共同决定，在420～520℃的温度范围内，粗化速率常数极低，数量级处于10^-24～10^-26m³·h^-1，名义扩散激活能Q_EXP=208kJ·mol^-1，介于Fe原子体扩散激活能Q_diff(259kJ·mol^-1)和沿界面扩散激活能Q_inter(146kJ·mol^-1)之间。研究了喷射沉积AlFeVSi合金在不同温度条件下的塑性变形行为规律。结果表明，快凝雾化粉末AlFeVSi合金加工硬化率低，甚至呈加工软化，100～300℃存在中温脆性区。构建了喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形基于Zener-Hollomon参数法的唯象本构关系和基于Rosler-Artz模型的物理本构关系。R-A物理模型可以很好地诠释喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形过程n大于8和Q大于142KJ／mol，但高度细化的组织特征、微观不均匀性以及高温不稳定性也导致了喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形行为偏离R-A模型所预测的规律。研究了快凝AlFeVSi合金回复与再结晶过程以及退火硬化行为。结果表明，快速凝固AlFeVSi合金冷轧板在200～525℃的温度范围内出现了退火硬化现象，这种退火硬化现象更易出现在大变形量冷轧且组织高度细化的冷轧板的退火过程中，具有可逆性。快速凝固AlFeVSi合金冷轧板开始出现退火软化的温度约为500℃，剧烈退火软化的再结晶温度约为550℃。高于550℃退火，冷轧板硬度、强度剧烈下降，这是冷轧板中同时发生了Al₁₂（Fe，V）₃Si颗粒急剧粗化、聚集、失稳过程和α—Al基体的再结晶与晶粒长大过程的结果。喷射沉积冷轧板也会出现退火硬化现象，但不及快速凝固雾化粉末制冷轧板的强烈，且随粗大组织增多而退火硬化减弱，甚至表现为退火软化。针对组织高度细化的快凝AIFeVsi合金中初始位错密度低、自由滑移程短和位错恢复强烈的特点，提出了一个塑性变形新模型，很好地了解释快凝AIFevsi合金的低加工硬化率和提早失稳断裂现象，解释了伴随着应变硬化效应的中温脆性现象，解释了加工软化和退火硬化现象。研究了挤压、旋压或锻造等热加工工艺条件与参数对加工制品的表观质量和组织性能的影响规律，结果表明，采用软铝包套挤压可降低挤压突破力和挤压温度，400一450℃长时预热而高温（挤压温度）短时加热的分级加热可起到缩短高温滞留时间的作用，提高R:参量有利于氧化膜充分破碎和粉末结合强度提高，这些措施均有利于改善挤压制品的室温、高温力学性能。降低旋压温度，减少高温滞留时间，增大累积减薄率，均有利于提高旋压管材的室温、高温强度和塑性。钢包套锻造、铝包套模压均可以在较小的高向压缩变形率（累积45一80%）条件下实现锻坯有效致密化和粉末间良好结合，从而获得良好的强度与塑性。最后，采用喷射沉积工艺制坯，在国内现有压力加工工装设备条件下，制备了快速凝固AIFeVSi合金高性能大规格（外径大于4lomm，壁厚大于15mm）挤压管材;挤压管可以旋压成直径必内380mm，厚2.smm，长度大于I000mm的高性能薄壁管材;制备了直径价45Omm高性能锻件。如此大规格快速凝固耐热铝合金挤压管、旋压薄壁管、锻件的研制，国内外目前尚无报道。

全文目录

第1章文献综述  12-31
  1.1 引言  12-13
  1.2 快速凝固耐热铝合金研究状况以及其应用前景  13-21
    1.2.1 起源与进展  13
    1.2.2 研制原理与合金化原则  13-15
    1.2.3 快速凝固AlFeVSi系铝合金  15-20
    1.2.4 快速凝固耐热铝合金的研制、开发与应用  20-21
  1.3 快速凝固-粉末冶金技术的发展现状与应用前景  21-24
    1.3.1 雾化制粉与平面流铸造工艺  21-22
    1.3.2 快速凝固耐热铝合金粉末的固结成型及后续加工工艺  22-24
  1.4 喷射沉积工艺的研究进展与应用前景  24-29
    1.4.1 喷射沉积工艺的研究进展  24-25
    1.4.2 喷射沉积基本原理  25-27
    1.4.3 喷射沉积工艺的主要优势  27
    1.4.4 喷射沉积在一些新型铝合金生产中的成功应用  27
    1.4.5 喷射沉积在快速凝固AlFeVSi合金研制中应用现状  27-29
  1.5 快速凝固AlFeVSi合金高性能大规格材料研制尚存在的主要问题  29-30
  1.6 本论文的主要研究目的与内容  30-31
第2章喷射沉积AlFeVSi合金坯及其成型制品的组织性能特征  31-48
  2.1 引言  31
  2.2 试验方案与过程  31-32
  2.3 喷射沉积AlFeVSi合金坯的组织性能特征  32-41
    2.3.1 孔隙与原始颗粒界面  32-34
    2.3.2 喷射沉积AlFeVSi合金坯的相组成与显微组织特征  34-40
    2.3.3 喷射沉积AlFeVSi合金坯的的力学性能与断裂行为  40-41
  2.4 喷射沉积AlFeVSi合金成型制品的组织性能特征  41-47
    2.4.1 喷射沉积坯和粉末冷压坯挤压棒材组织性能的对比  41-43
    2.4.2 喷射沉积坯和粉末冷压坯挤压管材组织性能的对比  43-45
    2.4.3 组织不均匀性与残留原始颗粒界面对拉伸变形与断裂行为的影响  45-47
  2.5 本章小结  47-48
第3章快速凝固AlFeVSi合金高温热暴露过程中Al_(12)(Fe，V)_3Si颗粒粗化行为与组织热稳定性  48-67
  3.1 引言  48
  3.2 试验方案与过程  48-49
  3.3 喷射沉积微胞状结构的分解与Al_(12)(Fe，V)_3Si稳定化转变  49-52
    3.3.1 喷射沉积薄片加热过程中的相转变  50
    3.3.2 微胞状结构的分解与过饱和固溶体脱溶  50-51
    3.3.3 Al_(12)(Fe，V)_3Si颗粒的粗化与稳定化转变  51-52
  3.4 高温热暴露过程中相结构稳定性与颗粒粗化行为  52-60
    3.4.1 α-Al+Al_(12)(Fe，V)_3Si散布型两相组织的高温热稳定性  52-55
    3.4.2 散布型两相合金中颗粒粗化行为的理论分析  55-57
    3.4.3 热轧板中Al_(12)(Fe，V)_3Si颗粒低于500℃的粗化动力学  57-60
  3.5 快凝AlFeVSi合金轧板中的位错与高温位错反常增殖  60-66
    3.5.1 快凝AlFeVSi合金轧板组织高度细化导致位错密度极低  60-61
    3.5.2 高温热暴露过程中伴随着颗粒粗化和晶粒长大而位错反常增殖  61-63
    3.5.3 高温热暴露过程位错反常增殖的机理  63-66
  3.6 本章小结  66-67
第4章喷射沉积AlFeVSi合金塑性变形行为以及高温流变本构关系的热／力模拟研究  67-88
  4.1 引言  67-68
  4.2 试验方案与过程  68
  4.3 快速凝固AlFeVSi合金在25～400℃范围内变形行为  68-77
    4.3.1 快速凝固AlFeVSi合金25～400℃范围内力学性能随拉伸温度的变化  68-69
    4.3.2 快速凝固AlFeVSi合金25～400℃的拉伸变形应力-应变曲线  69-70
    4.3.3 喷射沉积AlFeVSi合金25～400℃压缩变形真应力-真应变曲线  70
    4.3.4 快凝AlFeVSi合金25～400℃塑性变形微观机制与中温脆性现象的机理  70-77
  4.4 喷射沉积AlFeX合金在350-550℃范围里塑性变形行为  77-87
    4.4.1 高温压缩真应力-真应变曲线以及峰值应力摩擦修正  77-78
    4.4.2 基于Zener-Hollomon关系的喷射沉积AlFeVSi高温塑性变形本构关系  78-80
    4.4.3 基于Rosler-Artz物理模型的喷射沉积AlFeVSi高温塑性变形本构关系  80-83
    4.4.4 喷射沉积AlFeVSi高温塑性变形行为有关材料参数的评价  83-84
    4.4.5 喷射沉积AlFeVSi高温塑性变形微观机制以及高温强化机理的探讨  84-87
  4.5 本章小结  87-88
第5章快速凝固AlFeVSi合金回复与再结晶过程以及退火硬化行为研究  88-101
  5.1 引言  88
  5.2 试验方案与过程  88-89
  5.3 快速凝固AlFeVSi合金高温热暴露过程的退火软化与硬化  89-92
    5.3.1 快凝AlFeVSi合金板材硬度与热暴露温度的变化关系  89-90
    5.3.2 快凝AlFeVSi合金冷轧板硬度随热暴露时间的变化  90-91
    5.3.3 快凝AlFeVSi合金冷轧板拉伸力学性能随热暴露条件的变化  91-92
  5.4 快凝细粉制AlFeVSi冷轧板退火过程中的显微组织演变规律  92-96
    5.4.1 雾化细粉制冷轧板的显微组织以及位错分布  92-93
    5.4.2 雾化细粉制冷轧板退火过程中的显微组织演变以及回复与再结晶行为  93-96
  5.5 喷射沉积AlFeVSi合金冷轧板退火过程中的显微组织演变规律  96-98
  5.6 快凝AlFeVSi合金冷轧板退火硬化现象可逆性以及硬化机理  98-100
  5.7 本章小结  100-101
第6章喷射沉积AlFeVSi合金挤压成型工艺研究与大规格高性能挤压管的制备  101-117
  6.1 引言  101
  6.2 试验方案与过程  101-102
  6.3 喷射沉积管坯挤压过程中应力应变状态与金属流变规律  102-103
  6.4 挤压突破力与挤压温升效应的估算  103-106
    6.4.1 挤压突破力估算  103-106
    6.4.2 挤压温升的估算  106
  6.5 影响挤压制品组织性能的主要因素及其影响规律  106-113
  6.6 大规格挤压管材的制备以及其组织性能  113-116
  6.7 本章小结  116-117
第7章喷射沉积AlFeVSi合金强力旋压工艺研究与大规格高性能薄壁旋压管的制  117-127
  7.1 引言  117
  7.2 试验方案与过程  117-118
  7.3 管材强力减薄旋压过程及常见表观缺陷  118-120
  7.4 喷射沉积管坯强力减薄旋压过程中的致密化  120-121
  7.5 影响喷射沉积挤压管旋压后组织性能的主要因素及其规律  121-124
    7.5.1 强力减薄旋压后管材的显微组织与残留原始粉末界面  121-122
    7.5.2 强力减薄旋压变形后条带组织中的亚结构形态  122-123
    7.5.3 旋压温度、累积减薄率对旋压管力学性能的影响  123-124
  7.6 大规格管件旋压的制备以及以及其组织性能  124-126
  7.7 本章小结  126-127
第8章喷射沉积AlFeVSi合金锻造成型工艺研究与大规格高性能锻件的制备  127-140
  8.1 引言  127
  8.2 试验方案与过程  127-128
  8.3 镦粗过程中锻造损伤与锻压道次极限压下率确定  128-130
    8.3.1 应力应变状态及锻造损伤  128-129
    8.3.2 塑性评定试验与锻压道次极限压下率确定  129-130
  8.4 喷射沉积坯在锻压过程中的致密化与组织性能变化  130-137
    8.4.1 沉积坯高温模压  130-132
    8.4.2 压实坯自由锻造  132-134
    8.4.3 压实坯钢包套自由锻造  134-136
    8.4.4 压实坯铝包套模压  136-137
  8.5 大规格锻件的制备以及以及其组织性能  137-139
  8.6 本章小结  139-140
第9章结论  140-143
参考文献  143-150
攻读博士学位期间发表学术论文情况  150-151
致谢  151-152
简介  152

快速凝固AlFeVSi耐热铝合金组织性能及大规格材料制备工艺的研究

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