喷雾形成的微观结构和力学性能和热压/热处理Al - (20 - 30 wt %) mg2si - 2%的铜合金

文摘

在目前的调查,Al - (20 - 30% - wt) Mg2Si-2Cu合金被喷射成型过程,并进一步合成通过热压烧结致密化处理。合金是进一步进行时效硬化热处理。形成的喷雾、年龄硬化和铸态合金显微组织和力学性能。喷雾形成合金的微观结构表现出细粒子均匀分布的主要β-Mg2Siθ-Al2Cu阶段和集群Q-phase离散和高体积分数的。铸态合金主要由大型多边形主β-Mg2Si,粗Al2Cu和针形共晶Q-phase中文脚本。热压的喷雾形成合金促进微观结构改进,减少孔隙度、分裂和再分配的第二阶段。人工时代展览大量θ-Al2Cu沉淀硬化合金小于2μm大小均匀分布的矩阵。β相re-precipitates非常好的球形形式导致的增加的面积分数β-Mg2Si在老化阶段。极限强度的显著提高热处理和喷雾形成合金铸态合金相比。拉伸试样的断口表面的扫描电镜拍摄于喷雾形成年龄硬化和铸合金。 The fractographs revealed the transformation from brittle mode to ductile dimples.

关键字

喷雾成型,热压缩、微观结构、孔隙度、年龄硬化、硬度、抗拉强度

介绍

的过共晶铝硅合金等合金元素镁、铜、铁和锰已成功生产的现代加工技术来提高强度重量比,在高温下力学性能和磨损行为的(1]。合金铝含量高的Mg和Si Mg的形成₂如果阶段和共晶Al-Mg-Si阶段。提供的可能性显著降低密度(密度毫克₂si - 1.99 gcm³)和增加刚度比其他Al合金和使他们优越的材料重量轻汽车应用程序(2]。然而,冷却速度缓慢的融化与常规铸造方法的结果在一个粗糙的微观结构的主要阶段和大型金属间化合物的形成阶段的高度micro-macro隔离。含量高的铝合金毫克₂如果传统铸造过程带来了一些困难,因为过度渣形成和一代的孔隙度由高氢的溶解度在融化3]。的材料与低密度结合优秀的机械和耐磨性要求调整生产工艺。喷雾雾化沉积,也称为喷雾成型,是这些过程结合两个不同但融化雾化和沉积的主要步骤。这种固有的快速凝固效应,半固态状态,近净形处理能力(4]。喷雾形成吸引了相当大的兴趣作为一个可行的过程制造合金、复合材料和结构材料的好处与快速凝固如细粒度的微观结构、固体溶解度增加,细中小学阶段(5]。因此,产品属性即增强材料,强度、耐磨性和韧性。与传统的铸造技术相比,毫克₂如果内容可以增加喷雾形成导致新型轻合金系统。进一步提高耐磨性的增加铜Al-Mg₂Si合金的热治疗(6]。在目前的调查,Al-20Mg₂Si-2Cu, Al-25Mg₂Si-2Cu和Al-30Mg₂Si-2Cu合金是由喷射成形(SF)。研究了新型轻质合金显微组织,硬度和拉伸性能。热处理对显微组织的影响,机械热压喷雾形成的行为(科幻+惠普)合金进行了研究和比较科幻和铸态合金。

实验的细节

的Al-20Mg₂Si-2Cu, Al-25Mg₂Si-2Cu和Al-30Mg₂Si-2Cu合金被喷射成型过程合成。名义成分的合金和细节中使用的工艺参数采用目前的调查所示表1和2。

表1。名义(wt. %)合金的化学成分

表2。喷射成型过程参数的细节。

有限的孔隙度总是出现在科幻合金。保持这个观点科幻合金受到热压。中部地区的样本准备削减存款在490°C - 510°C加热保存在一个炉为2小时,热压温度为480°C和55 MPa的压力由100吨液压机。进行拉伸试验在十字头的速度0.5毫米/最低为1对应于一个名义应变速率为0.05分钟¹。科幻的样品合金受到热压后时效硬化热处理。时效硬化的治疗方法是完成按照ASM手册(ASM, 1997)。热处理工艺进行了在一个低沉的声音电阻炉温度精度为±3°C。的循环热处理包括solutionizing在510 oc均热时间为2 h,淬火的冰水沐浴在210°C和老化2 h。

密度进行测量气缸直径10毫米和50毫米长度的样品准备从科幻小说的中心部分的执行由水驱前后样品热压方法按ASTM: B962 - 08年。孔隙度测量是由准备样品5×10×10毫米大小的中心部分预成型真空二甲苯浸渍法。x射线衍射分析进行一锅分析飞利浦系统(模型:mcr 2000 - 3)。这个系统有一个Cu-Kα阳极(λ= 0.154065 nm)和482千瓦密封管在160千伏和20 mA。把你兄弟步长和时间步是0.01°分别/秒。观察到的差值与对应的峰值相比是JCPDS文件。铸的样本,科幻小说,科幻+惠普和年龄硬化合金是准备使用标准金相技术和抛光样本蚀刻与凯勒试剂。样品的微观结构是蔡司光学显微镜下检查和晶粒尺寸测量进行了按ASTM e - 112 - 96 (ASTM, 2003)。成分的化学成分存在于阶段检查使用一个能量色散x射线(EDX)微量分析仪。SEM是在10 - 30 Kv的加速电压。

微观结构、断裂拉伸试样表面磨损表面和磨屑进行在SEM(模型:JEOL地产- 6480 lv)。微硬度测量进行使用维氏硬度计(模型:MVH Meta-tech产业、印度)使用一个压痕载荷300 g和允许停留时间15秒为每个缩进。每个微观硬度值在当前工作是五读数的平均值。标准拉伸试样被ASTME-8后准备和测试标准(ASTM, 2000)。

结果和讨论

微观结构

图1显示了科幻合金的x射线衍射模式。XRD模式证实存在的主要基地,毫克₂如果第二阶段比例3:1和艾尔₂铜合金和Q作为第三阶段。此外,获得衍射克证明Mg的峰值强度₂如果增加毫克的量的增加₂Si。最强烈的衍射峰主毫克₂如果阶段科幻合金对应于(220)飞机。这表明晶体的增长主要毫克₂如果在科幻合金相。

图2显示了SEM / EDS铸态合金的显微照片。它由粗主要毫克₂如果阶段,阿尔₂铜阶段和四元复合Q-Al₂Cu2Mg₈如果₇相交织的形式结构。这些阶段分布随机树突基体的网络结构。Mg-Si阶段的摩尔比接近1.7,表明毫克₂Si相存在于一个不规则状/蠕虫状的和大小50 - 270μm的范围。Mg₂如果发现阶段为主以及共晶矩阵的一部分,因此,揭示两种不同的形态。铜的存在导致θ-Al的形成₂铜金属间化合物在中国白色对比的形式存在于脚本以及不规则长针状结构的升级了_16种毫克₄₁如果₃₄铜₉阶段。不同阶段的元素组成的合金中所示表3 - 5。

表3。Al-20Mg阶段化学成分(wt %)₂Si-2Cu铸态合金。

表4。阶段化学成分的铸态Al-25Mg (wt %)₂Si-2Cu合金。

表5所示。阶段的铸态Al-30Mg化学成分₂Si-2Cu合金。表6所示。阶段科幻Al-20Mg的化学成分(wt. %)₂Si-2Cu合金。

图3显示了SEM / EDS科幻合金的显微照片。它由细和主β-Mg均匀分布₂如果粒子(深色)在2到5之间的范围大小μm,θ-Al的小颗粒的体积分数₂铜阶段(白色对比)和一个小Q-Al的体积分数₃₄铜₈毫克_30.年代₂₇阶段(深灰色)离散粒子的存在形式的集群。

均匀分布的主要β-Mg₂如果粒子结晶融化和生长在在上雕琢平面的形式和发展各种圆边的多边形形状。不同阶段的元素组成的合金所示表6 - 8。科幻的光学micrgraphs合金所示图4。non-connected球形形式(黑色对比)的毛孔的大小范围的20 - 50μm分布均匀矩阵。平均孔隙率(体积%)前后科幻热压给出表9。科幻合金的密度变化从91%降至93.4%。科幻热压后合金的密度从95.4%到96.3%不等。也观察到的结果,合金的密度随毫克增加而减小₂如果内容增加大约3%毫克₂Si合金中的内容。科幻+ HP合金的SEM显微图所示图5。微观结构显示减少孔隙度、Mg的碎片₂如果粒子和次要的部分再结晶阶段(“θ”和“问”)微粒。粗块的存在像毫克₂如果阶段的铸态合金。由于缓慢的冷却速度和广泛的温度区间液相线和固相之间的Mg更高₂Si含量伪相图的二进制部分会导致铸件粗微结构的毫克₂如果阶段以及共晶成分(7]。

表6所示。阶段化学成分(wt. %)的科幻Al -_20.毫克₂Si-2Cu合金。

表7所示。SFAl-25Mg阶段化学成分(wt %)₂Si-2Cu合金。

表8所示。SFAl-30Mg阶段化学成分(wt %)₂Si-2Cu合金。

表9所示。科幻和热压合金的密度和孔隙度值。

在喷射成形过程中,凝固现象变化由于高冷却速率的影响在雾化阶段和独特的微观结构进化在沉积机制。由于快速凝固速度,有可能增加合金元素的浓度超出矩阵中的平衡溶解度。此外,亚稳的形成阶段和非常好的科幻合金微观结构。在雾化和飞行阶段,冷却下的液滴经历大初级成核之前毫克₂如果阶段,导致了一个广泛的显微结构的改进。因此,大量的细,均匀分布主要毫克₂如果粒子和更多的沉淀(θ-Al₂铜阶段,问过饱和基体形成阶段)。增加冷却速率与增加在冷却的融化进而改进微观结构以及变化的大小的顺序凝固(8]。此外,相对快速凝固限制了晶粒生长和产量的精细结构。

高在冷却凝固过程中液滴的雾化阶段,β-成核率(毫克₂Si)阶段增加,增长率抑制(9]。因为高Mg和Si含量大量的凝聚毫克₂如果粒子可以观察到在喷雾Al-30Mg形成的₂Si-2Cu合金。在沉积过程中,小颗粒结块一起被认为是一个大的粒子。毫克的初始大小₂如果阶段明显取决于喷雾沉积条件。进化和数量的孔隙度主要取决于雾化液滴的热状态和撞击在衬底(10]。如果沉积表面的液体分数太高,可以裹入导致球形孔隙气体。如果存款表面太冷,碰撞粒子形成的差距不能填充孔隙度也会导致冷。因此,数量和形式的孔隙度在喷雾沉积强烈支配复杂的工艺参数如熔体过热和交互,G / M比值和飞行距离。

热压过程导致分裂和再分配的主要阶段和解散过程中沉淀的阶段。很明显从单个颗粒的显微图更加突出和金属间化合物阶段和解决方案中的元素在晶界沉淀。小沉淀的存在“θ”和“问”阶段科幻合金进行预热处理变形过程使组织更加均匀。严重的压力由热压产生高密度位错的谷物。随后的安排和移动位错形成许多小角晶界精制初始颗粒成几个子结构。除了精致的谷物、热变形也促进均匀析出硬化的“θ”和Q-phases销混乱的运动有效地抑制晶粒粗化在re-crystallization [11]。没有观察到显著差异等微观结构特性的长宽比和分布脆性的β粒子。图6代表了解决方案的扫描电子显微镜照相术热处理合金。它可以观察到的显微图,大多数中学阶段(“θ”和“问”)溶解在α-Al矩阵导致增加了超饱和的矩阵。从微观结构观察,spheriodised毫克₂如果阶段和大量Q - (Al₄₉毫克₁₉如果₂₇铜₈Mg)阶段沉淀被发现₂如果相接口(2)。

Mg和铜丰富的阶段中形成凝固溶解成α-Al矩阵。表10显示不同阶段的解决方案的元素化学成分Al-30Mg治疗₂Si-2Cu合金。图7显示了科幻的SEM显微图+惠普和人工年龄硬化合金。可以看出,大量的θ-Al₂铜(白色对比)沉淀小于2μm大小均匀分布的矩阵。β相re-precipitates非常好的球形形式导致β-Mg的面积分数的增加₂如果在老化阶段。增加Al-Mg₂硅共晶阶段和地区的降水沿界面的主要毫克₂Si(β)阶段人工Al-30Mg岁可以清楚地观察到₂Si-2Cu。化学成分的₂硅和铝₂铜阶段年龄硬化合金表8所示。毫克的球状化处理₂Si相固溶热处理期间将Mg的碎片₂如果分支或平滑的粒子。此外,基体得到过饱和由于Mg和铜丰富的阶段到再溶解α-Al矩阵。由于淬火,溶质组件是保留在一个不稳定的状态在固溶体和创建大量的混乱和空缺Mg的界限₂如果粒子和铝/毫克₂如果接口拥有较高的位错密度。因此,Mg的形态学变化₂如果粒子和大量的“Q”阶段沉淀形成的晶界毫克₂如果相(12]。当样品从solutionzing淬火温度,点缺陷和线缺陷形成毫克₂如果粒子由于大产生的热应力之间的热膨胀系数差异显著毫克₂Si和艾尔。这些缺陷作为成核沉淀促进降水网站(13]。因为大量的毫克₂如果sprayformed合金粒子,沉淀成核站点的数量更多。θ-phase导致无序原子簇的形成在解决方案治疗。这些集群命名Guinier-Preston (GP)区和连贯的周围的矩阵。人工老化这些GP区开始变换下“θ”,这仍然是一致的。随着老龄化的持续“θ”阶段促进降水的细分散semi-coherent“θ”阶段。老化时间达到峰值时,θ-phase将成为不连贯的平衡“θ”阶段。这是观察到的图7细,均匀分布₂铜和“Q”阶段也α-Al矩阵增加地区的Mg₂如果阶段。

表10。年龄硬化Al-30Mg成分不同的阶段₂Si-2Cu合金。

优良的毫克₂如果相结合₂铜沉淀可以显著提高合金的强度。在额外的老化粒子生长与相干应变的增加,直到界面粘结强度超过他们变得语无伦次。一旦所有的溶质原子从过饱和固溶体分离沉淀将继续按照奥斯特瓦尔德成熟成长。粗化较大的沉淀发生较小的溶解沉淀。粗化是由表面能的降低14]。

机械性能

硬度

微硬度测量的结果中播种表11与铸态合金相比,科幻+ HP合金的硬度显著增加。此外,镁的硬度增加线性增加₂Si合金的内容。比较研究的硬度很明显,人工年龄硬化合金展品近2倍和1.5倍高硬度比铸态和科幻+ HP合金。

表11所示。微硬度的铸态、科幻+惠普和年龄硬化合金。

科幻+ HP合金的硬度的增加是由于部分再结晶,分裂和再分配主要毫克₂Si阶段,降水的θ,Q阶段由于热压和孔隙度减少。高体积分数的均匀分散困难β-particles大大增加流动应力和塑性变形提供了一个明显的障碍。毫克的增加硬度的增加₂如果内容,这是由于存在大量的细毫克₂如果粒子,细颗粒的θ-Al₂铜和Q阶段。这些阶段将阻碍混乱的运动更有效率和更困难的塑性变形继续。增加毫克₂Si含量合金导致增加硬度和与其他调查人员在协议(15]。增加年龄硬化合金的硬度可以归因于溶解度的增加硅酸镁与解决方案治疗时间明显导致更高的溶解量毫克₂如果在基体。溶解度的铜基体温度随溶液治疗。在淬火过程中,这个Mg-Si和铜是保留在解决方案。因此,艾尔阶段包含Mg-Si和铜在室温下在过饱和固溶体。在老化,Mg的微粒₂硅和铝₂铜形式和沉淀的解决方案。此外,sphreridiozation毫克₂如果粒子获得时效硬化处理期间可以降低应力集中在Mg的接口₂如果粒子和α-Al矩阵。

因此倾向开始地下裂缝减少因此增加硬度(16]。在老龄化的沉淀₂铜颗粒边界的主要毫克₂如果阶段大力加强α-Al矩阵之间通过增加焊接毫克₂Si阶段和矩阵导致时效合金由于高硬度高电阻矩阵的塑性流动(17]。在随后的老化和降水在220°C治疗2 h溶质原子被拒绝,形成了新的阶段₂铜沉淀。紧张的存在领域的新阶段将限制运动混乱,从而导致增加强度和硬度。因此,人工时效硬化的高硬度合金显然是由于β-Mg浓度较高₂Si和θ-Al₂铜元稳定前阶段和超饱和基体硬度随着老化时间的增加减少了因为沉淀将逐渐从稳定状态到稳定状态,最后沉淀与基体之间界面的不连贯。根据奥斯特瓦尔德成熟,所有过饱和固溶体中的溶质原子被隔离和粗化的沉淀溶解过较小的降雨将降低表面能。沉淀变得很大,很少时,沉淀之间的距离增加,因此表面的混乱更容易通过,从而导致剪切应力,因此硬度下降(18]。

拉伸性能

拉伸性能的铸态,科幻+惠普和人为年龄合金所示表12。值得注意的是,科幻+ HP合金的抗拉强度优于铸态合金,但延性下降。的抗拉强度和延性科幻+惠普Al-20Mg₂Si-2Cu合金显示值高于铸态合金的32.3%和32.29%。与科幻+惠普与铸态合金相比UTS年龄硬化合金显示相应的值的1.67和2.50倍科幻+惠普和铸态合金。它是观察到的结果有显著减少伸长age-hardened合金的铸态和科幻+惠普相比,合金。拉伸断口的SEM形貌表面的铸态样品所示图8。铸态合金的断裂表面表现出典型的解理断裂模式,是由Mg的裂缝和开裂₂如果粒子和基体剥落。相当大的断裂表面包括集群大小的空洞,这或多或少是本地分配。

表12。机械性能的铸态、科幻+惠普和年龄硬化合金。

科幻和热压合金的断口组织所示图9。可以看出,断裂的合金揭示混合模式空洞成核和生长,一般表示的波纹结构的断裂表面。然而,在科幻+ HP合金脆性断裂和毫无特色的一些口袋,cleavage-like外观表明脆性骨折的口袋。科幻+ HP合金的断裂描绘方面揭示了小及定义连接的眼泪山脊或浅酒窝方面。轻微的河流模式还可以看到中心辐射的方面。主要quasi-cleavage区域,表明脆性断裂机制已成为主导。从显微镜观察的观察,很显然,大幅下跌的延性与脆化,乳沟毫克₂如果阶段。年龄硬化合金的断口组织所示图10。从断口表面观察到所有的合金脆性方式失败的特征面断裂表面的性质和大量的各向等大的酒窝了毫克₂如果粒子底部的酒窝。这表明均匀分布和细晶粒毫克₂如果粒子可能有助于提高抗拉强度。

典型的树突状铸态合金的显微组织“β”相粒子多面体形状的锐利的边缘。此外,Q和θ-phases存在蠕虫状的长针状的形状和分布不均导致力学性能低劣的α-Al矩阵。在铸态合金的拉伸试验,损害出现的开裂θ-and Q-phases在小塑性应变(19]。随着应变的发展,小裂缝和孔隙Mg之间发生₂如果粒子。然后这些缺陷合并产生的裂纹传播沿毫克₂如果粒子,提供更少的裂纹扩展阻力。这是由于他们的贫穷与矩阵和枝晶间区域。

潜在的改善在科幻+ HP合金力学行为可以归因于精制和等轴晶粒微观结构,大幅降低偏析,提高亚稳固体溶解度和大体积分数的毫克₂如果喷雾沉积过程中获得的金属间化合物(20.]。科幻+ HP合金中金属间化合物的形式出现在微粒均匀分布的矩阵,作为成核站点的孔隙减少的阻力矩阵的穴蚀现象也导致了连接的微孔隙在更短的时间间隔时间(21]。

这两种效应的延性降低科幻+ HP合金。热处理合金表现出较高的极限抗拉强度和较低的延伸率。有显著差异的长宽比毫克₂Si和圆形毫克₂如果粒子(较小的长宽比)在热处理条件下促进增加ut,由于低水平的Mg的尖端应力集中₂如果粒子延迟断裂的过程。的增加合金时效硬化后的强度过程也归因于好“问”和艾尔的影响₂铜沉淀的矩阵。在变形过程中,沉淀限制的运动位错和位错密度增加这些沉淀增加流动应力变形。热处理后的伸长下降可能与微孔洞的生长机制。解的控制老化处理的合金产生较高的强度(21]。的断裂表面铸的,科幻+惠普和人为岁合金似乎表明,裂缝开始通过Mg和传播₂如果金属互化物以及₂铜和合金的“Q”阶段。

结论

1。喷雾形成合金的微观结构细,均匀分布的主要β-Mg展出₂如果粒子和θ-Al₂铜阶段和高体积分数的Q-phase离散粒子的存在形式的集群。铸态合金主要由大型多边形主毫克₂如果,粗中文脚本₂铜和针形状的共晶Q-phase。热压的存款促进微观结构改进,减少孔隙度、分裂和再分配的第二阶段。人工硬合金大量θ-Al时代₂铜沉淀小于2μm大小均匀分布的矩阵。β相re-precipitates非常好的球形形式导致β-Mg的面积分数的增加₂如果在老化阶段。

2。科幻+ HP合金的硬度显示60%高于铸态合金和增加而增加毫克₂如果内容。热处理合金达到一个值的200%左右的铸态合金。的最大年龄硬化合金硬度的影响归因于小间距毫克₂如果粒子,大量的quenched-in缺陷,较小的颗粒与大量降水中间“θ”和“问”阶段的矩阵。

3所示。科幻+惠普的拉伸性能和年龄硬化合金表现出更高的生产和低价值的伸长铸的同行相比,合金生产和增加而增加毫克₂如果内容在科幻+惠普和铸态合金。断裂表面的所有科幻+ HP合金的铸态合金表现出典型的解理断裂模式和断裂的样品展示大方面与小酒窝指示韧性和脆性骨折的混合模式。年龄硬化合金展览在上雕琢平面的性质与大量的各向等大的酒窝和毫克₂如果粒子。

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