论文部分内容阅读
功能梯度材料能克服材料结合部位的性能不匹配问题,使其成分含量、组织结构呈有规律变化。功能梯度材料制备技术是梯度材料研究的重要环节,其中常用方法包括:粉末冶金法、自蔓延高温燃烧合成法及电磁相分离法等。脉冲磁场作为一种电磁场,由于具有输出峰值高、设备负荷小等优点,在合金晶粒细化方面得到了广泛的应用。本文研究了P、Sr、RE合金化处理和脉冲磁场处理对Al-20Si合金凝固组织和力学性能的影响以及在此基础上研究了脉冲磁场和P复合作用对Al-20Si合金初生硅分布和形态的影响,得出的结论如下:1)P、Sr、RE均可以改善Al-20Si合金的凝固组织,提高其力学性能,其中P对初生硅的细化效果最好,Sr对共晶硅的细化效果最好,RE既能细化初生硅又能细化共晶硅。在0.0175~0.0875%范围内,随P加入量的增加,合金中的初生硅平均尺寸逐渐减小;加P后合金组织中出现了新相AlP。在0.03~0.09%范围内,随Sr加入量的增加,Al-20Si合金中的共晶硅由原来的长针状逐渐变成颗粒状,使其得到了显著的细化,同时使初生硅由原来的板条状裂解成花瓣状,从而使其也有所细化。在0~0.9%范围内,随着RE加入量的增加,Al-20Si合金中的初生硅和共晶硅尺寸先减小后增大;当RE的加入量为0.3%时,初生硅和共晶硅尺寸均最为细小;加入RE元素后,合金组织中出现了新相Al3La。P与Sr、P与RE以及P、Sr、RE复合加入均能同时细化合金中的初生硅和共晶硅,复合加入对初生硅的细化效果与单独加P时无明显区别,但复合加入对共晶硅的细化效果比单独加RE或Sr时都较好;P、Sr、RE无论单独加入还是复合加入均能提高Al-20Si合金的抗压强度,其中三元复合加入时抗压强度最高为795MPa,与未处理试样相比,提高了16%。2)通过控制脉冲磁场的脉冲电压、脉冲频率、浇注温度和模具预热温度,可以显著改变Al-20Si合金中的凝固组织。当脉冲电压为80V时,初生硅有所粗化且偏聚,其大量聚集在试样边部,心部几乎不含初生硅;当脉冲电压为160V时,初生硅进一步粗化且有所团聚,但整体上分布比较均匀;当脉冲电压增加至240V时,初生硅团聚和粗化现象有所减弱,分布均匀性有所提高;当脉冲频率较小(1~5Hz)时,频率的增加对初生硅的分布和形态无明显影响,只有当频率增加到10Hz时,才有偏聚和粗化的现象产生;随浇注温度和模具预热温度的升高,初生硅平均尺寸逐渐增大;且相同条件下,有脉冲磁场处理比无脉冲磁场处理时初生硅尺寸要大;脉冲磁场工艺参数总体上对Al-20Si合金硬度无明显影响,均匀分布时整体硬度趋于一致,有偏聚分布时边部硬度高于中心区硬度。3)通过改变脉冲磁场工艺参数成功制备了Al-20Si功能梯度材料,使初生硅聚集在试样边部,心部基本无初生硅。当脉冲电压在0~150V范围内变化时,随着脉冲电压的增加,初生硅形态由块状变成粗大的板条状,其平均分布宽度逐渐减小;当脉冲频率在1~10Hz范围内变化时,随着脉冲频率的增加,初生硅平均分布宽度逐渐减小;当浇注温度在690~780℃范围内或模具预热温度在400~700℃范围内变化时,随浇注温度或模具预热温度的提高,初生硅平均分布宽度先减小后有所增大,转折点分别为750℃或600℃;脉冲磁场作用下,P的加入细化了合金中的初生硅,但同时抑制了初生硅的迁移,使Al-20Si合金初生硅平均分布宽度减小;脉冲磁场处理下,Al-20Si合金偏聚区的硬度比中心区高;未处理时,中心部位和边部的耐磨性无明显差别,磁场处理或磁场和P复合处理时,边部的耐磨性明显高于中心部位。