消失模铸造固—液复合Al/Mg双合金组织性能研究

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铝合金与镁合金拥有诸多优点,在航空航天、汽车、电子等领域应用非常广泛。然而,在很多情况下,单一材料往往难以完全满足综合性能的要求。如果将铝合金和镁合金相结合制备成Al/Mg双合金,使铝、镁合金做到性能上优势互补,可实现综合性能的要求。消失模铸造是一种制备Al/Mg双合金的合适的方法,将消失模铸造应用于Al/Mg双合金材料的制备可直接成形Al/Mg双合金精密铸件,具有较大的理论和实际意义。本文采用消失模铸造固-液复合工艺,以铝合金为固态嵌体,在周围浇注熔融镁合金,以制备Al/Mg双合金材料,主要研究浇注工艺参数(浇注温度和真空度)及液固体积比对Al/Mg双合金组织和性能的影响,分析其影响机制;在此基础上,选取最优参数下的双合金材料探究其不同截面位置的组织和性能变化规律,以期为消失模铸造固-液复合工艺制备Al/Mg双合金提供理论依据和技术支持。主要研究工作如下:(1)采用消失模铸造固-液复合工艺成功制备出Al/Mg双合金材料,实现了铝合金和镁合金良好的冶金结合,铝基体和镁基体之间由一层均匀且无缺陷的界面层连接。该界面层由三个反应层组成,分别为靠近镁侧的Al12Mg17+δ-Mg共晶组织、靠近铝侧的Al3Mg2+Mg2Si层及两者之间的Al12Mg17+Mg2Si层组成。界面层的形成主要是熔合结合和扩散结合两者共同作用。(2)研究了浇注温度和真空度对消失模铸造固-液复合Al/Mg双合金材料组织和性能的影响。研究发现,随着浇注温度的升高,界面层厚度逐渐增加,但浇注温度过高或过低界面层都会产生缺陷。当浇注温度为710℃时,Al-Mg双合金界面层存在较多孔隙缺陷;浇注温度进一步增大到750℃时,Al-Mg双合金界面层厚度不均匀。真空度对消失模固-液复合Al/Mg双合金的组织和性能有较大影响,当真空度为0MPa和0.05MPa时,界面处容易产生严重的缝隙缺陷;当真空度为0.01MPa时,铝合金和镁合金界面处产生了反应层,但部分位置还存在孔隙缺陷。当浇注温度为730℃、真空度为0.03MPa时,Al/Mg双合金界面层厚度均匀且无缺陷,结合效果良好。(3)研究了液固体积比对消失模铸造固-液复合Al/Mg双合金材料组织和性能的影响。结果表明,随着液固体积的增加,界面层的平均厚度也逐渐增加。当液固体积比为6.69时,界面层不均匀,且存在一些缝隙缺陷;当液固体积比增加到14.6时,铝、镁间形成了一个紧凑而均一的界面层;当液固体积比进一步增加到42.33时,界面层厚度不均匀,且存在气孔缺陷。(4)在上面的研究基础上,探讨了Al-Mg双合金铸件不同截面位置的界面层组织和性能的演变规律。研究发现,不同截面位置的界面层厚度有较大区别,其中底部截面位置的界面层最厚,但存在严重缝隙缺陷;顶部截面位置的界面层最薄且部分位置未形成界面层;中间截面位置产生了厚度均匀且无缺陷的良好的界面层。(5)对消失模铸造固-液复合Al/Mg双合金材料进行力学性能测试。Al/Mg双合金显微硬度测试结果表明,界面层的显微硬度明显高于Al基体和Mg基体,说明脆硬的金属间化合物在界面处生成,而且Al3Mg2的显微硬度最高,Al12Mg17次之。Al/Mg双合金剪切强度测试结果表明,界面层厚度和界面层的缺陷对Al/Mg双合金的剪切强度有较大影响,当浇注温度为730℃、真空度为0.03MPa、液固体积比为14.6时Al/Mg双合金中间截面位置的剪切强度最高,达到47.67MPa。Al/Mg双合金剪切强度试样的断口结果表明,Al/Mg双合金的断裂都是发生在界面层的Al3Mg2、Al12Mg17金属间化合物处,主要表现为脆性断裂。
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