Pr_xO_y+La_xO_y复合变质对铸造Al-Cu合金组织与性能的影响

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铝铜系合金因其具有质轻和高强韧性等优点而引起了国内外材料研究者的高度关注。目前,很多具有较好力学性能的铝铜合金被开发出来并应用到实际生产中(如ZL205A),但它们还远不能满足汽车、航天和军工日益增长的发展需求,因此,我们需要进一步提高铝铜合金的综合性能以满足制造业的发展需求。在铸造铝铜合金中,富含铜元素的第二相为该系合金的主要强化相,但它们通常以金属间化合物的形式存在,由于这些化合物具有不同于铝基体的微观结构和电极电位,严重降低了铸造Al–Cu合金的耐腐蚀性能,从而制约了其在制造业的广泛应用。目前有关同时提高铸造Al–Cu合金强韧性和耐蚀性的研究较少,而运用稀土及稀土氧化物变质来改善合金性能的研究也不深入,因此,关于PrxOy、LaxOy复合变质对铸造Al–Cu合金组织和性能的影响的研究具有很高的应用价值。本文通过正交试验优化了PrxOy、LaxOy复合变质铸造Al–Cu合金的变质剂成份;揭示了PrxOy、LaxOy复合变质对合金组织演变、力学性能和耐腐蚀性的影响及规律。初步揭示了不同因素对抗拉强度的影响大小及规律,为同时提高铸造Al-Cu合金的力学性能和耐蚀性提供了实验依据和应用基础。本论文的主要研究结论如下:(1)揭示出PrxOy+LaxOy复合变质剂的最佳成份为0.6wt.%PrxOy+0.4wt.%LaxOy,变质合金的抗拉强度最高可达560MPa,延伸率也达到10.45%,分别比未变质合金提高了21.81%和49.29%。在PrxOy+LaxOy复合变质合金中,影响拉伸强度的主要稀土氧化物为LaxOy,在PrxOy含量不变时,随着LaxOy含量的增加,合金的拉伸强度先增加后减少,在0.4wt.%LaxOy达到最大。PrxOy+LaxOy变质铸造Al–Cu合金的强度和延伸率同时提高的原因为:细化的α–Al枝晶的细晶强化;密集分布而又细小的纳米θ′析出相的析出强化;以及在晶界和枝晶间形成的铝和稀土化合物的晶界强化。(2)揭示出PrxOy和LaxOy复合变质铸造Al–Cu合金在一定范围内,随着固溶温度的提高和固溶时间的延长,晶界处和枝晶间的Al2Cu相越充分地溶到α–Al基体中,固溶强化效果越好。实验结果表明,经过540oC保温15h,水淬后再在540oC固溶5h的固溶处理的合金的固溶强化效果好。(3)揭示出与未变质合金相比,PrxOy和LaxOy复合变质合金的初生α–Al枝晶的尺寸更小,枝晶更发达,未变质合金的α–Al枝晶的尺寸在100–200μm之间,而变质合金的枝晶臂尺寸在30–50μm;纳米θ′析出相的分布更密集均匀,尺寸更细小,未变质合金中θ′相的长度在80–400nm之间,厚度在5–25nm之间,复合变质合金中θ′相的长度在40–150nm之间,厚度在2–5nm之间。(4)揭示出在铸造Al–Cu合金中添加PrxOy+LaxOy复合变质剂促进了钝化膜的产生,提高了自腐蚀电位和击穿电位,降低了合金的腐蚀倾向,改善了铸造Al–Cu合金的耐腐蚀性能。研究发现:①在3.5wt.%NaCl水溶液中,未变质合金的自腐蚀电位最低,约为-1.46V,0.6wt.%PrxOy+0.8wt.%LaxOy变质合金的自腐蚀电位最高为-1.09V,比未变质合金的自腐蚀电位提高了370mV。在固定的PrxOy含量下,随着LaxOy含量的增加,变质合金的平均腐蚀失重越来越小,复合变质合金的自腐蚀电位及击穿电位越来越大。②在PH=4的模拟酸雨溶液中,未变质合金的自腐蚀电位最低,约为-0.4027V,0.6wt.%PrxOy+0.8wt.%LaxOy变质合金的自腐蚀电位最高为-0.2306V,比未变质合金的自腐蚀电位提高了170mV。在固定的PrxOy含量下,随着LaxOy含量的增加,变质合金的平均腐蚀失重先增大后减小,复合变质合金的自腐蚀电位及击穿电位先增大后减小,但都高于未变质合金,则耐蚀性提高。
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