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过共晶Al-Si-Cu-Mg合金具有比强度高、硬度高、线膨胀系数低、耐磨性好、热稳定性好等特点,广泛应用于交通运输领域中发动机缸体、活塞等部件的制备。但过共晶Al-Si合金中粗大的块状初生Si相,严重影响合金的力学性能。半固态挤压铸造成形工艺作为一种近净成形工艺,可有效改善合金显微组织提高力学性能,但在半固态挤压铸造成形Al-Si合金的热处理工艺及其强化机制方面的研究目前尚显薄弱。本文以Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金为基础实验材料,采用半固态挤压铸造成形工艺制备合金铸锭,系统研究半固态挤压铸造成形Al-Si合金热处理强化行为规律,充分发挥半固态挤压铸造成形合金组织的优势,获得半固态挤压铸造成形Al-Si合金的短流程热处理工艺,并深入分析半固态挤压铸造成形Al-Si合金固溶组织演变及时效强化机制,从而为开发高性能铸造铝合金及其短流程热处理强化工艺提供理论支持。采用机械搅拌、电磁搅拌和超声振动三种工艺制备铝合金半固态浆料,对比发现超声处理后合金的组织更均匀。在不同的浆料温度下浇注,发现在600℃浇注的合金缺陷少、组织均匀细小,合金力学性能较好。进一步对比研究重力铸造和半固态挤压铸造成形下合金的显微组织和性能,经半固态挤压铸造成形后,合金的显微组织得到细化,粗大的块状初生Si相数量显著减少并变为小块状,板条状的共晶Si相转变为细小纤维状,α-Al呈近等轴状或蔷薇状,并且α-Al基体中存在高密度位错。半固态挤压铸造成形工艺下合金的力学性能和耐磨性能均优于重力铸造。研究了固溶处理对半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金组织和性能的影响。固溶初期,合金组织中块状初生Si相棱角处优先发生钝化,纤维状的共晶Si相发生缩颈和熔断,Al2Cu等第二相开始发生溶解,尤其是富集在初生Si附近的富Cu第二相快速溶解,固溶到基体中;基体中的位错密度开始降低。固溶中期,粗大的初生Si进一步钝化,呈多边形结构,共晶Si相表面能进一步降低,Si相颗粒发生粒化,基体中的位错塞积程度大幅度降低。固溶后期,初生Si和共晶Si均发生粗化,符合LSW模型,Si相形貌趋于圆整化,呈现棱角小面特性。基体中的位错密度维持在较低水平。对半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金525℃固溶处理不同时间后180℃时效6h处理,实验结果发现,随着固溶时间的延长,合金的强度曲线呈现“双峰”的现象。在525℃固溶1h曲线上出现了第一个强度峰值,此时合金的抗拉强度为278MPa。第二个强度峰值出现在525℃固溶8h时,此时合金的抗拉强度为323MPa。第一个强度峰值主要是由于,在固溶初期,基体中仍存在较高的位错密度,Cu元素以位错线为介质快速固溶到基体中,经时效处理后大量细小弥散的θ"相和Q’相弥散析出,对位错产生强烈的钉扎阻碍作用。第二个强度峰主要由于,固溶处理8h时,初生Si相的圆整化和共晶Si相的粒化程度达到最佳,基体中溶质元素含量较高,180℃时效6h后,纳米析出相数量进一步增多,分布更加均匀,弥散强化作用进一步增强。系统研究了时效处理对半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金力学性能和组织的影响。对合金进行180℃时效处理0-24h,随着时效时间的增加,合金强度呈先上升后下降的趋势,在180℃时效6h达到强度峰值。半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金的时效析出过程主要分为三个阶段,时效初期主要是GP区和Q"相的析出,析出相的尺寸和数量增长较快,与中子小角散射曲线和通用粉末衍射峰值的变化规律一致。在峰时效阶段主要为θ"相和Q′相析出。过时效阶段析出相主要为θ’相和Q’相。第一性原理计算结果表明,Q’相的结合能和形成焓均低于θ’相,因此Q’相更加稳定,优先析出。与重力铸造相比,半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-0.5Mg合金经525℃固溶处理8h后180℃时效处理不同时间,析出相的种类、析出序列相同,但析出相分布更加均匀弥散,尺寸更加细小,这是由于合金经半固态挤压铸造成形后冷却速率更快,基体中溶质元素分布更均匀,同时共晶Si淬火后在基体中引入了大量的位错,促进了θ′相的时效析出进程。峰时效状态,半固态挤压铸造成形合金的抗拉强度和屈服强度与重力铸造相比分别提高了43.6%和51.1%,此时,半固态挤压铸造成形工艺下基体中的θ"析出相与基体呈完全共格关系,晶格畸变程度较强,畸变能较高,位错以切过机制为主,因此具有更高的力学性能。研究了重要合金元素Mg的含量对半固态挤压铸造成形Al-17Si-4Cu-x Mg合金时效析出行为和力学性能的影响。Al-17Si-4Cu合金中Mg元素含量从0.5wt.%增加到2.5wt.%时,合金铸态显微组织中除了Al2Cu,Al5Cu2Mg8Si6相外,还出现了Mg2Si强化相。Al-17Si-4Cu-2.5Mg合金在峰时效状态下,主要析出相为θ″相、Q’相和β″相,其中β″相沿＜001＞Al方向以针状和圆点状的形式存在。随着合金中Mg元素含量的增加,促进β-Mg2Si相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的形成及β’相的时效析出,对合金起到强化作用,使Al-17Si-4Cu-2.5Mg合金中具有更高的强度值和硬度值。