（凝聚态物理专业论文）电解加钛almgsi合金板材组织和性能的研究.pdf

郑州大学博士学位论文摘要 摘要 本文以电解加钛a 1 一m g - s i 合金为研究对象，通过s e m 、t e m 、x r d 、h r t e m 、 d s c 差热分析及力学性能测试等，对合金的微观组织和性能进行了全面分析。 重点研究了电解加钛a i m g - s i 合金的半连续铸造组织，铸态及均匀化的结晶相； 研究了熟处理工艺对a i m g - s i 合金组织和性能的影响，对时效组织进行了的高 分辨分析；分析了固溶态合金的d s c 曲线对应的放热峰组织并计算了t 4 态合金 p ”和p 相的激活能；研究了不同过剩s i 含量，m 9 2 s i 含量及1 r i ，b 对电解加钛 - m g s i 合金组织和性能的影响；对热处理态电解加钛a i - m g - s i 合金的s e m 原 位拉伸过程中裂纹萌生与扩展进行了观察，并阐明了萌生和扩展机理。研究成果 对电解加钛a 1 - m g s i 合金的开发与工业应用具有重要的理论意义和实际意义。 应用电解加n 的方法配制了a i m g - s i 合金，分别研究了不同m g 含量对铸 态、均匀化处理和t 4 态合金结晶相的影响，描述了结晶相在铸态、均匀化及t 4 态的类型、形态及数量变化规律。铸态合金组织面扫描和线扫描结果表明，m g 、 s i 元素在晶界处偏聚，形成非平衡组织。电解加钛a i - m g s i 合金铸态结晶相主 要为a 1 1 9 c u m 9 4i s b ，、a l o7 5 m n s i i 2 5 、m 9 2 s i 相，结晶相中m n 、f e 具有互相代 替作用。k i t 9 c u m 9 41 s i s 3 相呈颗粒状，均匀化处理可使a l l ，9 c u m 9 4 1 8 i 3 3 相洛入 基体。a i m n s i 类结晶相主要包括a 1 0 7 5 m n s i 和a i s m n l 2 s i ，其形态均为不规则 条状。随着m g 含量增加，仅a i m n s i 类结晶相数量减少。铸态合金中m 9 2 s i 相 为不规则的黑色块状，提高m g 含量时，合金中m 9 2 s i 相增多；均匀化处理时， m g a s i 相变化不大。 首次研究了预时效、预时效+ 模拟烘烤、预时效+ 预拉伸+ 模拟烘烤等工艺 对a 1 - m g - s i 合金组织和性能的影响。电解加钛a 1 - m g - s i 合金水淬之后立即进行 短时预时效，可使过饱和固溶体中溶质的分布不均匀，抑制随后自然时效硬化效 果。减轻淬火后停留时间对合金力学性能的影响：预时效过程形成的大量的1 3 ” 核心，在随后的人工时效( 即烤漆过程) 时，将促进b ”相的均匀析出，从而产 生明显的烤漆硬化效应。优化出4 号合金最佳热处理工艺为5 5 0 c x 3 0 m i n 固溶+ 1 7 0 c x 5 m i n 预时效+ 5 天自然时效+ 1 8 0 c 3 0 m i n 模拟烘烤，强度达3 3 7 h 伊a ， 延伸率达1 9 9 ，与熔配加钛6 0 0 9 变形铝合金在t 6 态下强度3 4 5 m p a 接近，塑 一r。、 n 郑州大学博士学位论文 摘要 性超过该热处理条件下的数值( 1 2 ) 。预拉伸使组织中产生大量的位错，位错 缠结使合金强度得到提高。8 号合金最佳热处理工艺为5 5 0 c x 3 0 m i n 固溶+ 1 7 0 c x 5 m i r t 预时效+ 3 预拉伸+ 5 天自然时效+ 1 8 0 3 0 r a i n 模拟烘烤，强度 达到3 7 3 m p a ，延伸率达到2 2 2 ，高于熔配加钛6 0 0 9 变形铝合金在t 6 态下强 度3 4 5 m p a 和塑性( 1 2 ) 。 时效组织的高分辨分析表明，1 8 0 时随着时效时间的增加，调幅分解逐渐 形成，在1 8 0 8 h 的人工时效条件下，调幅分解呈现花格尼状。经过计算，调 幅组织的晶格相晶面间距比基体晶面间距大3 5 。这是由于a l 的原子半径为 o 1 4 3 2 n m ，m g 的原子半径0 1 6 0 2n l t l ，m g 、s i 原子在a ( a 1 ) 中( 2 0 0 ) 晶面偏 聚，使晶格产生畸变造成的。 通过d s c 差热分析，发现电解加钛a i m g - s i 合金的时效初期( 1 5 0 左右) 其组织为g e 区，形貌为针状或粒状。随着加热温度的升高，到2 5 0 左右，开 始形成与基体完全共格的针状b ”相。继续升高温度，在3 2 0 c 左右形成了与基体 部分共格的p 相，最后形成稳定的p ( m 9 2 s i ) ，时效析处序列为g p 一矿一p 一p ( m e a s i l 。推导出时效过程中析出产物激活能的热力学方程， h 带- 1 可丽1 = i n k o - 等瑚肱方程拙了咻矿 和p 激活能分别为6 3 k j m o l 、1 2 1k j m o l ，说明试验合金容易形成p ”相，p ”的 强化作用优于b 相。 电解加钛a 1 m g s i 合金，随过剩s i 含量的增加，模拟烘烤前板材强度提高 明显，延伸率也有一定程度增加。模拟烘烤后板材强度增加趋势变小，延伸率没 有明显变化，说明适量的过剩s i 有利于板材的成形性和强度提高。不同m 9 2 s i 含量的电解加钛a i - m g - s i 合金板材，模拟烘烤前后强度均有所提高。模拟烘烤 前强度的提高主要是通过过剩s i 形成附加的团簇沉淀起强化作用，模拟烘烤后 主要通过m 啦s i 的沉淀强化起主要作用。n 和b 的加入有效的细化电解加钛铝 合金，随着t f f b 比的减小，铸态组织得到细化。电解加钛铝合金中，n 分布弥 散，加入b 元素有效的提高细化能力。 首次运用扫描电镜原位拉伸台对电解加钛变形a i m g - s i 合金进行了原位拉 伸观察，电解加钛变形铝合金的断裂过程与一般塑性材料基本相同。局部应力集 i 郑州大学博士学位论文摘要 中和应变造成粗大的分散相和基体分离及缺陷是裂纹优先萌生的部位。裂纹的扩 展主要是平行于滑移条纹扩展和沿晶扩展，当裂纹尖端有较大m 9 2 s i 颗粒存在 时，微裂纹会在m 9 2 s i 基体界面再形核而扩展，最终导致合金断裂。 关键词：电解加钛铝合金；a l m g - s i 合金；结晶相；热处理；组织与力学性能； 原位拉伸 i v 郑州大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa ne l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m h u ma l l o y ( a l m g - s i ) w e r ei n v e s t i g a t e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s e o p e ( t e l v l ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s e o p e ( s e m ) i n c o r p o r a t i n ge n e r g yd i s p e r s i v ex - r a ya n a l y s i s ( e d x ) ， h i g hr e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i e r o s c o p e ( h r t e m ) ，d i f f e r e n t i a lt h e r m a l a n a l y z e r s o a n de l e c t r o n i ct e n s i l et e s t e r t h em i e r o s t r u e t u r eo ft h e h a l f - e o n t i n u o u s l yc a s te l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a l - m g s i ) a n dt h ep h a s e s t r u c t u r eo ft h ec a s ta n du n i f o r mh e a t - t r e a t e de l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a l m g s i ) w e r ei n v e s t i g a t e de m p h a t i c a l l y t h e i n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r so nr n i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ea l - m g - - s ia l l o y sw a ss t u d i e da n d t h eh r t e ma n a l y s i so f a g i n g - t r e a t e da la l l o yw a sc a r r i e do u t ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g i e s o f8 ”a n d1 3 p h a s ei nat 4h e a t - t r e a t e ds t a t ew e r ec a l c u l a t e db ym e a s u r i n gt h e e x o t h e t a n i ep e a ko f t h ec o r r e s p o n d i n gd s cc u r v e s t h ee f f e c to f e x c e s ss i ，m 9 2 s ia n d t i bc o n t e n t so nt h em i e m s t m e t u r ea n dp r o p e r t i e so f t h ea i m g - s ia l l o yw a sa n a l y z e d a ni n - s i t us e mo b s e r v a t i o no ft h ef r a c t u r ep r o c e s sd u r i n gt e n s i l et e s tw a sc a r r i e do u t t ou n d e r s t a n dt h ei n i t i a t i n ga n dp r o p a g a t i n gm e c h a n i s mo fc r a c k s 。t h er e s u l t s o b t a i n e d p r e s e n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( 灿一m g - s i ) t h ei n f l u e n c eo ft h em gc o n t e n t ，u n i f o r mh e a tt r e a t m e n ta n dt 4s t a t u so bt h e m i e r o s t r u e t n r ea n dp h a s es t r u o l b r oo ft h ee l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a i - m g s i ) w a si n v e s t i g a t e db ys e m e d xa n dx r d t h ea r 船a n dl i n es c a n n i n g a n a l y s i sb ys e mr e v e a l e dt h a tt h em ga n ds ic l u s t e r i n ga t t h eg r a mb o u n d a r i e s g e n e r a t e dn o n - e q u i l i b r i u mm i o r o s t r u c t u r e t h ec r y s t a l l i n ep h a s e so fe a s te l e c t r o l y t i c t i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a l - m g - s i ) i sc o n s i s t e do f a l i 9 c u m 9 4 t s i 3 3 、a 1 0 7 5 m 1 1 s i l 2 5 ， m 9 2 s i ，a n de l e m e n tm na n df ea r co fm u t u a lr e p l a c e m e n t a 1 1 9 c u m 9 4 i s i 3 ji s s p h e r e - l i k ea n dd i s s o l v a b l ei n t ot h em a t r i x 。a 1 m n s it y p ep h a s e si n c l u d ea l o 7 5 m n s i l 2 s a n da 1 5 m n , z s iw i t hi r r e g u l a rm o r p h o l o g y , a n dt h ec o n t e n to ft h e s ep h a s e sr e d u c e s v 郑州大学博士学位论文 a b s t r a g t w i t ha ni n c r e a s ei nm gc o n t e n t t h ec a s ta l l o yi sc o n s i s t e do f m g z s ip h a s ew i t l lb l a c k b l o c ka p p e n r a n e e t h ec o r r e s p o n d i n gc o m e mi n c r e a s ew i t ha l li n c r e a s ei nm gc o m e i l t a n du n i f o r mh e a t 4 r e a t m e n th a sn oo b v i o u si n f l u e n e eo nm 9 2 s ip h a s e t h ee f f e c to fp r e a g i n gt r e a t m e n t ，p r e - a g i n gt r e a t m e n tp l u ss i m u l a t i v e l yb a k i n g a n dp r e - a g i n gt r e a t m e n t + p r e - t e n s i l e + s i m u l a t i v e l yb a k i n go nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h ea i m g - s ia l l o yw e r ei n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e as h o r tt i m e i x , e - a g i n gt r e a t m e n to ft h ea l l o ya f t e rw a t e rq u e n c h i n gr e s u l t e di ni n h o m o g e n o o u s d i s t r i b u t i o no f e l e m e m si nt h ea i m a t r i xs o l i ds o l u t i o n ，r e s t r a i n e dt h eh a r d e n i n ge f f e c t d u r i n gn a t u r a la g i n gp r o c e s s ，a n dr e l i e v et h ee f f e c to f r e s i d e n c et i m eo nt h ep r o p e r t i e s o ft h ea l l o y t h ef o r m a t i o no fal a r g ea m o u n to f8 ”n u c l e u si n d u c e db yp r e - a g i n g t r e a t m e n tp r o m o t e dt h ep r e c i p i t a t i o no fb ”p h a s ea n di n c r e a s e dt h eh a r d e n i n ge f f e c t s i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h es e q u e n ta r t i f i c i a la g i n gp r o c e s s ag o o dc o m b i n a t i o no fb o t h h i g hs t r e n g t h ( 3 3 7 m p a ) a n dg o o dp l a s t i c i t y ( 1 9 9 ) ( m a r k e da l l o y4 ) w a sa c h i e v e d b yt h eo p t i m a lt r e a t i n gp a r a m e t e r s ，i e ，s o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n ta t5 5 0 cf o r3 0 m i n + p r e a g i n gt r e a t m e n t a t1 7 0 cf o r5 m i n + n a t u r a l a g i n gt r e a t m e n tf o r5d a y s + s i l u l a t i v e l y - b a k i n gt r e a t m e n t a t1 8 0 f o r3 0 m i n , w h i c hn e a r l y a p p r o a c h st ot h e s t r e n g t ho fw r o u g h ta l u m i n u ma l l o y6 0 0 9h e a t - t r e a t e da tt 6s t a t u s ( 3 4 5 m p a ) t h e o p t i m a lh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r sf o rp r e - t e n s i l et r e a t m e n to f a l l o y8i ss o l i ds o l u t i o n t r e a t m e n ta t5 5 0 f o r3 0 m i n + p r e - a g i n gt r e a t m e n ta t1 7 0 f o r5 m i n + n a t u r a la g i n g t r e a t m e n tf o r5d a y s + s i l u l a t i v e l y b a k i n gt r e a t m e n ta t1 8 0 f o r3 0 m i n , b yw h i c ht h e 姗e n g t ha n de x t e n s i b i l i t ya r e3 7 3m p aa n d2 2 2 r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sal i t t l eh i g h e r t h a nt h es t r e n g t h ( 3 4 5 m p a ) a n dt h ee x t e n s i b i l i t y ( 1 2 ) o fw r o u g h ta l u m i n u ma l l o y 6 0 0 9h e a t - t r e a t e da tt 6s t a t u s h r t e m a n a l y s i s r e v e a l e dt h a t t h e i n t e r p l a n a r d i s t a n c eo ft h e s p i n o d a l - d e c o m p o s e dp h a s ei s3 5 l a r g e rt h a nt h a to ft h em a t r i xs i n c et h ec l u s t e r i n g o fm ga n ds io nt h ep l a n eo f ( 2 0 0 1o fa ( a 1 ) ( t h ea t o m i cr a d i u so fa ia n dm gi s o 1 4 3 2 n m a n d o 1 6 0 2 n n lr e s p e c t i v e l y ) r e s u l t e d i n d i s t o r t i o n o f c r y s t a l l a t t i c e d s c a n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt h ep r i m a r ya g i n gs t a g eo ft h ee l e c t r o l y t i ct i t a n i u m a l u m i n u ma l l o yf a i m g s i ) ( a ta r o u n d1 5 0 e ) w a sc h a r a c t e r i z e db yg pz o n ew i t h v i 郑州大学博士学位论文 a b s t r a c t n e e d l e o rs p h e r e - l i k ea p p e a r a n c e t h en e e d l e - l i k e1 3 ”p h a s eh a v i n gat o t a lc o h e r e n c e r e l a t i o n s h i pw i t ht h em a t r i xa p p e a r e da ta b o u t2 5 0 c ，ap a r t i a lc o h e r e n c e8 p h a s e f o r r a e da t3 2 0 c ，a n das t a b l ep0 v g z s i ) p h a s ef o r m e df i n a l l y , w h i c hn l e a l l st h a tt h e a c n gs e q u e n c ei sg p p ”一p 一p ( m g 立s i ) t h et h e r m o d y n a m i ce q u a t i o no f a c t i v a t i o n e n e r g y o f p r e c i p i t a t i n g p h a s eb y硒n g 讹a t m e u ti s h 南- 1 可面1 币面灿一番 b y m c i o n o fp ，a n dp i n t 4s t a t u si s6 3 k j t o o l 、1 2 1k j t o o lr e s p e c t i v e l y , i ti n d i c a t e st h a tt h e 旷 i se a s i e rt of o r mt h a nd p h a s e 鹪w e l l 勰t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to fp ”i ss u p e r i o rt o p t h es t r e n g t ho ft h ea l l o yi ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da n de x t e u s i b i l i t yo ft h ea l l o y i si n c r e a s e dt oac e r t a i ne x t e n tb ya l li n c r e a s ei ne x c e s ss ic o n t e n t t h ee l l h a n c ee x t e n t o ft h es t r e n g t ho ft h ee l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a i - m g s i ) b e f o r e s h n u l a t i v e l yb a k i n gt r e a t m e n tw a sr e d u c e db u tt h ec o r r e s p o n d i n ge x t e n d i b i l i t y o f s h e e tm a t e r i a lk e p tc o n s t a n tw i t ha ni n c r e a s ei ne x g e s ss ic o n t e n t t h em e c h a n i s mo f i m p r o v i n gs t r e n g t ho ft h ea l l o yc a n b eu n d e r s t o o dt ob eo ft h ec l u s t e r i n gp r e c i p i t a t i o n o f 【嚣s ia n dt h ep r e c i p i t a t i o no fm g z s i t h e t d d i t i o no ft ia n dbi n t ot h ea l l o y e f f e c t i v e l yr e f i n e dt h eg r a i ns i z e ；t h eg r a i ns i z eo f t h ea s - c a s ta l l o yw a sr e f i n e dw i t ha d e f f f e a s ei n 也er a t i oo f t it ob t h ei n s i t ut e n s i l et e s tw a sf i r s t l yc a r r i e do u tu n d e rs e mo b s e r v a t i o nf o rt h e e l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y ( a l m g s i ) t h ef r a c t u r ep r o c e s so ft h ea l l o yi s s i m i l a rt on o r m a lp l a s t i cm a t e r i a l s c r a c k si n i t i a t e da tl o c a t i o n so f s t r e s sc o n c e n t r a t i o n a n dt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h ec o a r s ep r e c i p i t a t i n gp h a s ea n dt h em a t r i x c r a c k s p r o p a g a t e dp a r a l l e lt os l i p p i n gs t r i p e sa n da l o n g t h eg r a i nb o u n d a r i e s c r a c k sm e e t i n g c o r r 跫m g z s ip h a s ep r o p a g a t e da l o n gt h ei n t e r f a c eb e t w e e nm 9 2 s ia n dt h em a t r i x n 圮c o n e c to f c r a c k sr e s u l t e di nf i n a lf r a c t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y , a 1 - m g - s ia l l o y , p r e e i p i t a t i n g p h a s e s ，h e a tt r e a t m e n t , m i e r o s m 】c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，i n - s i t ut e n s i l et e s t v 郑州大学博士学位论文 郑重声明 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论 文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则， 本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声 明。 学位论文作者( 签名) ： 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 铝是地球上含量极其丰富的元素，铝的蕴藏量在金属种类中居第一位。铝的 比重为2 7 9 c m 3 ，只有钢铁的1 3 ，塑性很好，富有延展性，便于各种冷、热压 力加工，且具有高比强度、商弹性模量、高导电率、高热导率及良好的耐蚀性能， 故能广泛的应用于航空航天，建筑、交通运输、电工电子材料等领域。但直到 1 8 8 6 年h a l l 在美国和h 6 r o u l t 在法国各自独立地发现导致一种经济的电解提取铝 的方法建立之前，铝都没有作为工业金属应用f j 】。从那以后，在较短时间内，铝 的产量获得了显著增长。1 9 2 1 年全世界的铝产量2 0 3 万吨，1 9 5 0 年达1 5 2 万吨， 1 9 8 8 年达到了1 7 8 0 万吨，2 0 0 6 年则达到了3 2 0 0 万吨。铝材成为仅次于钢铁的 第二大金属材料，在现代国民生活中起着越来越重要的作用。 我国铝工业规模居世界第三，2 0 0 6 年产量达9 1 0 万吨。但人均铝材消费仅 为美国的1 1 2 0 。高性能铝材的7 0 8 0 需要进口，显然我国铝工业的生产能力、 产量质量及技术水平都需要快速发展f 2 】。我国于1 9 9 9 年底将“提高铝材质量基 础研究”列为国家重大基础研究规划项目( 9 7 3 项目) 。该项目旨在研究从铝土 矿氧化铝电解铝锭铝合金制品整个过程的各个生产和制备环节的技术改新和 进步，全面降低能耗，降低生产成本；通过纯净化、超细化和合金化来提高合金 的质量。 河南是一个产铝大省，电解铝产量已超过1 3 0 万吨。不断提高铝及其合金的 质量与性能，一直是人们追求的目标。纯净化、细晶化和均质化是近期国际上改 进传统合金及研制新型合金的三大工艺手段。铝及其合金的晶粒细化是提高铝材 质量与性能的重要途径之一1 3 - 5 j 。晶粒细化有利于铝及铝合金化学成分和组织的 均匀，减少均匀化处理时间：有助于消除铸锭的裂纹，减少热裂倾向，消除羽毛 状结晶组织及铸锭冷隔等缺陷，提高凝固速度；有利于提高合金的加工性能，在 铸锭变形过程中，可提高合金塑性及铝材的表面质量；同时细晶铸锭可提高合金 的强度、韧性、耐磨性、疲劳性等性能。 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 在二元铝合金中，加入的合金元素不同，在铝基固溶体中的极限溶解度也不 同，固溶度随温度变化以及合金共晶点的位置各不相同。不同铝合金的组织其强 化效果以及铸造、锻造和热处理等工艺性能亦不一样。根据合金元素的含量和加 工工艺性能特点，铝合金可分为铸造铝合金和加工变形铝合金两类。 铸造铝合金是直接用铸造方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。其所含合 金元素的数量比较高，总的质量百分数在8 - 2 5 范围内。一般铸造合金铸造性能 好，压力加工性能差。铸造合金的成分并不完全都是共晶合金，只是合金元素的 含量比变形铝合金高一些。 变形铝合金与铸造铝合金不同之处在于变形铝合金是经熔炼浇注成铸锭后， 再经热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材。因此，要求合金具备优良的 冷、热加工工艺性能，组织中不允许有过多的脆性第二相。常用变形铝合金中合 金元素总量小于5 ，但在高强度变形铝合金中可达8 - 1 4 f 6 7 】。 变形铝合金材料主要用在汽车的散热系统、车身、底盘等部位上。车身各部 位( 如发动机罩、行李箱盖、车身顶板、车身侧板、挡泥板等) 以及底盘等则是 多用板材和挤压型材。近年来，由于汽车散热系统、车身铝合金化进程的加快， 使汽车用变形铝合金材料也在迅速增长l s 】。 1 2 电解加钛铝合金的研究及应用现状 从八十年代起，东北大学邱竹贤院士【蛐】等人，在工业纯铝电解设备及电解 质体系上，采用纯铝的电解参数和工艺对电解生产铝钛合金进行了大量的理论探 讨和研究，用电解法生产铝钛中间合金。郑州轻金属研究院杨冠群教授【1 2 , 1 3 等人， 根据我国铝矿石多为水硬铝石矿且含硅量高的特点，进行了电解生产铝硅钛合金 的研究。 郑州大学材料物理教育部重点实验室在霍裕平院士的指导下，结合郑州大 学、中铝股份郑州研究院、东北大学等单位，对多年来不同角度开展的研究工作 进行了科学的分析和总结，特别是在对电解法生产铝硅钛多元合金的电解技术和 工艺进行了深入研究的基础上，提出了电解生产低钛铝合金的设想。该方法无需 改变现有纯铝电解设施和电解工艺，在铝电解生产过程中，向氧化铝中掺入数量 很少的n 0 2 粉，通过电解使阴极铝液含o 1 - 0 3 的钛。用这种方法生产的铝钛 2 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 合金，我们称之为电解加钛铝合金d 2 q5 】。这种电解加钛铝合金的细化方法和传统 的熔配过程向铝合金加入含钛的中间合金使晶粒细化有较大差别，可以实现低钛 铝合金和工业应用合金的在线生产，而且集合了纯铝的电解和钛合金工艺，省去 了后续的加钛过程，实现了铝基合金的自然加钛和晶粒细化。不但所制备合金的 力学性能得到提高，而且合金生产成本大幅降低。目前已经完成了如下几个方面 的工作： 1 ) 弄清了电解加钛对电解工艺参数的影响规律，掌握了生产电解加钛铝合 盒的电解质体系、加料方式及工业合金生产方法等关键技术。 2 ) 完成了不同钛含量、不同钛硼比对电解加钛铝合金及工业应用合金如 a 3 5 6 合金、6 0 6 3 合金晶粒细化效果的影响研究。发现不管是单独加钛，还是联 合加钛、硼，电解加钛合金的晶粒细化效果均优于传统熔配加钛、硼晶粒细化方 式。联合加钛、硼时，要达到相同的晶粒细化效果，需要添加的b 含量仅为常 规a i t i - b 细化方式所需b 量的1 ，3 1 ，2 ，而且晶粒细化效果的抗衰退能力优于普 通单独加钛和加钛、硼方式合金。 3 ) 完成了电解生产加钛铝合金制各a 3 5 6 、6 0 6 3 合金和z l l 0 8 合金的工业 生产试验和组织、性能研究。发现电解加钛a 3 5 6 合金的抗拉强度 3 0 0 m p a 、延 伸率 l o ，均优于普通a 3 5 6 合金。电解加钛6 0 6 3 合金型材的抗拉强度 2 2 0 m p a 、 延伸率 8 、氧化膜厚度 1 2 m m ，各项性能指标均优于普通6 0 6 3 合金型材。电 解加钛z l l 0 8 合金的室温强度和高温强度提高了6 左右；平面应变断裂韧度提 高了约7 。合金的耐磨性能提高4 5 倍。在3 0 0 c 条件下，电解加钛z l l 0 8 合 金的合金尺寸稳定性提高了6 左右。 4 ) 完成了加钛铝基合金的标准化工作，根据钛含量不同，新增了4 个具有 自主知识产权的不同钛含量铝牌号。 5 ) 完成了实验基地建设，实现了电解加钛铝合金的产业化。与登封电厂集 团铝合金有限公司联合成立了科技开发中心，投资2 0 多万元建立了小型铸锭生 产线一条，投资约1 5 万元完成了变形合金半连续铸造生产线的建设。目前登封 铝合金已经完全采用电解加钛方式生产6 0 6 3 ，6 0 6 1 合金，年产量达到2 万吨规 模。 6 ) 所制各合金已经在汽车摩托车轮毂、发动机活塞、建筑型材、小型发动 3 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 机壳体以及沙滩椅等产品中初步获得实际应用。生产出了7 种不同型号的汽车、 摩托车轮圈，所制造的汽车车轮强度与美国别克、奥迪车轮强度接近，明显优于 德国宝马车轮；塑性仅次于宝马车轮，优于其他3 种车轮。综合力学性能仅次于 奔驰车轮，与别克、奥迪车轮相当，优于宝马车轮。生产的摩托车轮毂力学性能 经抚顺轮毂国家检测中心检测，t 5 条件下，实体车轮抗拉强度超过2 8 0 m p a ，伸 长率超过1 6 。浙江临亚集团目前全部采用电解加钛方式制备6 0 6 3 和6 0 6 1 合金， 生产建筑型材，沙滩椅等铝合金制品，合金年使用量达到2 万吨。 1 3 铝合金的强化方法 纯铝的机械强度不高，不宜做承力结构材料使用。现代工业和科学技术的迅 速发展，对铝合金材料的性能提出了更高要求，铝合金强化以加工硬化和沉淀强 化为重点，而其强化效果的判断则以铝合金材料在常温和高温下的强度，塑性指 标为主要依据【1 6 l 。为提高铝合金的力学性能，常用的强化方法有固溶强化、沉淀 强化、应变强化、细晶强化、异相强化、复合强化。 1 3 1 固溶强化 溶质原子溶入基体金属中来提高其变形抗力，这种作用称固溶强化。固溶强 化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦阻力，这种作用包括 位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用，不过其带来的塑性损失要比 其它方法b t l 7 1 。 1 3 2 沉淀强化 从过饱和固溶体中析出稳定的第二相，形成溶质原子富集亚稳区的过渡相的 过程称之为沉淀，凡有固溶度变化的合金从单相区进人两相区时都会发生沉淀。 铝合金固溶处理时获得过饱和固溶体，再在一定温度下加热，发生沉淀生成共格 的亚稳相质点，这一过程称为时效，由沉淀或时效引起的强化叫沉淀强化或时效 强化f i s , s o l 。第二相的沉淀过程也叫析出。其强化称析出强化。铝合金时效析出的 质点一般为g p o 区，共格或半共格过度相，尺寸为0 0 0 1 - 0 1 岬，属于第三类质 点，这些软质点有三种强化作用即应变强化、弥散强化和化学强化。时效强化的 质点在基体中均匀分布，使变形趋于均匀，因而时效强化引起塑性损失都比加工 硬化、弥散强化和异相强化要小。 4 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 3 应变强化 通过冷加工可改变金属的性能，特别是力学性能，如通常能增加抗拉强度， 屈服强度和硬度。加工硬化广泛应用于不可热处理强化合金以便获得不同的应变 硬化状态，还可进一步提高由固溶强化和弥散强化获得的强度。在可时效强化合 金中，加工硬化对沉淀强化起补充作用，同时可能加速沉淀过程。 1 3 4 弥散强化 非共格硬颗粒弥散物对铝合金的强化称作弥散强化。为取得好的强化效果， 要求弥散物在铝基体中有低的溶解度和扩散速率、高硬度( 不可变形) 和小的颗 粒( o 1 1 n 左右) 。熔铸冶金铝合金中采用高温处理，获得弥散质点使合金强化， 越来越得到人们关注 2 0 - 2 3 | 。在铝合金中添加非常低的溶解度和扩散速率的过渡族 金属和稀土金属元素，铸造时快速冷却，使这些元素保留在畎a 1 ) 固溶体中，随 后高温加热析出非常稳定的非共格第二相弥散粒子即第二类质点，使合金获得弥 敖强化效果。 1 3 5 细晶强化 通过细化晶粒( 包括细化亚结构及增加位错密度) 和使合金保持未再结晶组 织，可使材料的强度提高1 0 3 0 ，与此同时，纵向的断裂韧性和应力腐蚀抗力 也可获得改善阱弼。 晶粒的大小对金属的力学性能有很大影响。晶粒越细小均匀，金属的强度和 塑性、韧性指标越高。因为晶粒越细，不同取向的晶粒越多，变形能较均匀地分 散到各个晶粒，既可提高变形的均匀性，同时晶界总长度越长，位错移动时阻力 越大，所以能提高强度、塑性和韧性。合金元素( 如钛、硼等) 既能细化铸态组 织，也可使再结晶温度提高，降低再结晶速度，使再结晶的晶粒细化，从而提高 合金性能。 1 3 6 复合强化 用高强度的粉、丝和片状材料采取压、焊、喷涂和溶浸等方法与铝基体复合， 使基体获得高的强度，称为复合强化。按复合材料形状复合强化可分为纤维强化 型、粒子强化型和包复材料强化型三种【2 6 绷。这种强化在高温下强化效果最佳， 在常温下也可显著强化，但塑性损失大。 郑州大学搏士学位论文第一章绪论 1 4 铝合金的细化理论 铝合金的细化理论主要有：形核理论2