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1 概述
为了提高航空机载电子设备的性能并降低制造成本,机载电子设备结构件正向整体化、轻量化方向发展。这一客观要求推动了近无余量铝合金精密铸造技术的进步。以轻巧美观的整体精密铸件取代用钎焊、联接件拼装组合的结构件。正在逐渐形成发展趋势。材料是获得优质铸件的关键之一。用于机载设备的铝合金应具有很好的综合机械性能,组织气密性和铸造工艺性。本文将主要介绍Al7Si0.3MgTiSb的合金化原理以及对该合金进行晶粒细化,变质处理,大幅度提高合金性能的最新研究结果。
2 合金化原理
Al7Si0.3MgTiSb合金由在Al-Si二元合金中添加Mg发展而来。其三元合金相图如图1所示。根据相图可以看出,该合金在平衡凝固后处于(Al)+Si的两相区内。但由于不平衡凝固的结果,其相组成将是(Al)+Si+Mg2Si。图2为图1中Al-Mg2Si的垂直截面。可以看出,Mg2Si在固溶体中的溶解度随温度上升而急剧增加,所以是可以通过固溶热处理而强化的合金。Mg2Si是一种晶格复杂,具有立方结构,空间群为Fm3m的化合物。当固溶淬火时,Mg2Si先溶入基体中。而后在时效过程中,从基体中形成细小弥散分布的GP区并进而发展为过渡相,从而使合金得到强化。
图1 Al-Si-Mg三元合金相图富铝角
图2 Al-Mg2Si相图
Al-Si-Mg2Si三元共晶面的平衡温度为555℃,而非平衡共晶温度要低于此温度,所以最高固溶温度只能取为535℃左右。此时,Mg在基体中的平衡溶解度为0.6%。而在实际条件下,要低于此值。如Mg量太高,则不能固溶的残余粗大的Mg2Si相将分布在晶界,急剧降低合金的延伸率。故合金中的Mg量确定为0.3%左右。Ti、B、Zr、V、Nb、Cr等元素都有细化晶粒的效果,但以Ti的效果较佳。图3为Al-Ti合金相图。由图可见,在合金中加入少量Ti,即会发生包晶反应,在液体内产生大量细小、弥散的TiAl3质点。TiAl3与Al都是立方晶系,晶格类型相同,晶格常数相近。所以,TiAl3能作为结晶核心,(Al)将依附在TiAl3上形核。
图3 Al-Ti合金相图
Fe是合金中的有害杂质。Fe在合金中以脆性化合物Al9Fe2Si2的形式存在,其形态为粗大片状或针状。在合金中起割裂基体的作用,严重恶化合金的力学性能,特别是延伸率。同时,还降低合金的抗腐蚀性。所以,应对含铁量严格控制,一般应限制在0.18%以下。
3 实验结果
实验合金采用高纯Al,高纯Mg和结晶Si配制。晶粒细化采用Al-5%Ti-B合金,共晶Si的细化(变质)采用Al-5%Sb中间合金。合金在电阻炉中进行熔炼。先配制成预制锭,浇注成小锭块,然后快速重熔,采用熔剂-浮游联合精炼工艺进行除杂除气,静置10min后浇注试样。
图4为合金中Ti含量与晶粒尺寸的关系。可以看出,当Ti含量大于0.15%时,晶粒已得到显著的细化。大约在0.15%~0.3%达到最小值。但Ti的加入量不能过多,以免产生TiAl3偏析,失去非均质形核的作用。
图4 Ti含量与合金晶粒度的关系
有研究表明,晶粒细化具有时间效应。由于TiAl3的比重较大,长时间的保温将促使TiAl3化合物的集聚和长大,在坩锅的下部产生大块片状TiAl3,引起晶粒的再粗化。因此,熔炼后应尽快浇铸完毕。合金的纯净度和均匀度对性能的稳定性都有影响。采用联合精炼法通常比单一的精炼方法有更小的性能均方差。采用低压浇注时,由于升液管内金属液周期性回流会对坩锅中的合金液产生搅拌作用,有助于减少TiAl3的偏析;在重力浇注时,则应适时地进行人工搅拌。
合金的力学性能不仅仅取决于晶粒的细化程度,而且也与共晶组织中Si的尺寸和形态有关。金属Sb是一种共晶Si的细化剂。在金属型铸造或快冷条件下,在合金中加入微量的Sb,就能使共晶Si得到显著的细化,并提高力学性能。特别是在热处理(T5或T6)后,其塑性指标得到成倍增长。由图5和图6可看出,Sb的加入量不能过多,否则将使性能降低。Sb在Al中的固溶度极小,在657℃产生共晶反应(L→Al+AlSb)。当Al中加入Sb后,即形成AlSb化合物。故有人认为,AlSb和Si均属立方晶系,且晶格常数非常接近。所以,AlSb可以作为Si的结晶核心。也有人认为,是由于Al-AlSb的共晶温度比Al-Si的共晶温度要高,凝固时Al-AlSb先共晶析出,产生大量细小的共晶团作为Al-Si共晶的结晶核心而使共晶组织得到细化。从结晶学的角度来看,加入Sb与加入Na、Sr等变质元素不同。Sb并不改变共晶Si的结晶形态。所以,严格地说,Sb只是细化剂而不是变质剂。
图5 Sb对抗拉强度的影响(T5状态)
图6 Sb对合金延伸率的影响(T5状态)
4 合金的应用
从应用的角度来看,除了合金的性能应满足一定的使用要求外,合金的流动性、吸气和疏松倾向等铸造工艺性能就是人们最关心的问题。研究表明,该合金的充型流动性,抗吸气氧化性及气密性均优于Na、Sr等变质元素,但存在冷却速度效应。因此,在工艺上应注意以下问题:
①航空机载设备结构铸件以薄壁、精密为特征,需用近无余量铸造,如压力铸造、调压精铸或金属型铸造方法。铸件冷却速度较大,可以得到较好的细化效果。对厚大热节处应采取激冷措施。
②在凝固特性方面,该合金趋向于集中疏松。因此,只要在进行铸件充、补系统结构和工艺设计时,保证铸件的顺序凝固并给予充分的补缩,就可以获得组织致密、气密性高的铸件。
③由于Sb在合金中很少氧化和烧损,所以其细化作用具有长效性。合金可以多次重熔,在配料计算时。必须考虑回炉料中已有的含Sb量,然后给予适量补充。
④该合金可采用铸造直接淬火工艺。当铸件温度冷却至低于合金的固相线时,直接将其淬入冷却介质中,可得到很好的固溶处理效果。对于尺寸稳定性要求高的零件,在固溶处理后,还可进行低温循环处理。
综上所述,Al7Si0.3MgTiSb合金是一种综合性能优良的热处理型铸造铝合金。通过适当的热处理工艺,可在大范围内调整机械性能,特别是具有高的延伸率。该合金尤其适合于制造机载设备的箱体、仪器仪表外壳、结构支架、电路插件基板和微波器件等等。
作者单位:广西大学 曾建民
清华大学 肖宪波
参考文献
1 kotchi R M. et al. Grain Refinement in Cast Aluminum Alloys. AFS. Trans, 1997, 85: 452
2 Mondolfo L F, 王祝堂等译.铝合金的组织与性能.北京:冶金工业出版社.1988
3 .Sigworth G K. Theoreticle and Practicle Aspects of Modification of Al-Si Alloy. AFS. Trans, 1983, 91:7