Ce/La在A17SiMg合金中细化变质行为及在半固态压铸中的应用研究

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亚共晶铝硅合金中初生铝(α-Al)的细化和共晶硅(Si)的变质是提高合金铸造成形性和力学性能的重要手段。稀土(RE)被广泛研究证明既可以作为细化剂使α-Al晶粒细化,又可作为变质剂改善共晶Si的粗大片层状形貌,RE具有的低成本优势也推动其得到研究。然而,RE的细化作用容易受到添加量和铸造工艺参数(静置时间、冷却速度等)的影响,其细化机理还没有准确的定论;此外,在较高冷速下,RE变质共晶Si的微观机制还缺乏系统的实验研究。同时,关于RE对亚共晶铝硅合金组织及性能影响的研究,主要在重力浇铸工艺下,在压铸工艺这样具有较高冷速凝固过程中,RE是否具有细化α-Al晶粒以及变质共晶Si的作用,以及对合金力学性能的影响规律还有待进一步的探索。针对上述问题,本文对稀土铈(Ce)和镧(La)在Al-7.0Si-0.3Mg(wt.%)合金(以下简称A17SiMg合金)中的细化和变质行为进行研究,并将其应用到半固态压铸过程中以提高合金的力学性能。细化方面,研究熔体静置时间和凝固中冷却速度对Ce/La细化作用的影响规律,并分析α-Al晶粒形核及生长过程,提出Ce/La的细化机制;变质方面,研究了 Ce/La添加量和冷却速度对共晶Si尺寸、形貌及表面孪晶的变化规律,提出不同冷速下Ce/La变质共晶Si的作用机制。最后通过半固态压铸工艺,得出在铸态及热处理态下,0.1 wt.%La添加对A17SiMg合金微观组织及力学性能的影响规律。本文主要研究结论如下:(1)当Ce/La添加量为0.4 wt.%时,细化效率达33%,α-Al晶粒大小不随熔体静置时间延长(0 min~420min)而变化,不存在细化效果的衰退现象。在不同冷速下(0.2,1.5和7.5 K/s),Ce/La均有显著细化效果,细化效率可达20%~40%。Ce和La溶质会在等轴晶固液界面前沿增大液相中的成分过冷区,从而促进晶粒形核而产生细化作用。(2)低冷速下(0.2K/s),当Ce/La添加量多达1.6wt.%时,共晶Si的生长温度从573℃下降到567℃,共晶Si尺寸显著减小,但仍不能改变共晶Si片层状形貌,Ce/La主要以AlxSix(Ce、La)化合物形式存在于晶界中。(3)高冷速下(150K/s),当La添加量为0.4 wt.%时,大量La原子富集在共晶Si中,La原子既可以吸附在<112>Si方向上来毒化孪晶凹槽,又可以吸附在孪晶线的相交处诱发孪晶,共晶Si生长分枝增多,使共晶Si发生各向同性生长,得到具有高度分枝的纤维状形貌。(4)重力浇铸工艺下,冷速的提高可显著细化晶粒,从而提高合金的抗拉强度和伸长率。当0.4 wt.%La添加后,晶粒得到细化,共晶Si变质效果也随冷速增加显著提高,在7.5 K/s冷速下,相较A17SiMg合金,添加La后的合金抗拉强度从156 MPa提高到185 MPa,伸长率从2.1%提高到4.6%。(5)在半固态压铸工艺下,30 K/s冷速下,当La添加量为0.1 wt.%时,铸态组织中的共晶Si发生变质,呈致密的点状分布,合金抗拉强度为196 MPa,伸长率达15.5%,相较未添加La时提高幅度达到20%;热处理后得到共晶Si平均长度和长宽比分别为2.2μm和1.9,呈致密点状分布的共晶Si使合金的伸长率得到显著提高,合金抗拉强度为313 MPa,伸长率达12.0%,相较未添加La时提高幅度达到15%。
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