简介概要

熔铸工艺对2618合金中Al₉FeNi相形态的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第2期

论文作者：王建华易丹青陈康华卢斌刘沙

文章页码：206 - 210

关键词：熔铸工艺； 2618合金； Al₉9FeNi相形态

Key words：casting process； 2618 alloy； morphology of Al₉FeNi phase

摘要：研究了熔体过热、加冷料搅拌及冷却速度对2618合金中Al₉FeNi相形态的影响。结果表明，与2618合金熔体720 ℃正常熔炼浇注相比，熔体960 ℃过热处理可得到更加细小均匀的针片状Al₉FeNi相，特别是880 ℃过热加纯铝锭冷料搅拌处理可得到长度约4 μm的细小颗粒状Al₉FeNi相，而合金熔体在720 ℃过热后缓慢冷却导致Al₉FeNi相的初晶偏析。

Abstract: The effects of melt overheating， meltstirring after adding cold metalas well as cooling rate of liquid metal on the morphology of Al₉FeNi phase in 2618 alloy have been investigated．The results show that melt over-heating treatment at 960 ℃ leads to finer and better-distributed needle-like Al₉FeNi phase comparing with normal casting process at 720 ℃； the grain size of Al₉FeNi phase is about 4 μm in length, which could be obtained by over-heating the liquid 2618 alloy at 880℃ and melt-stirring after adding cold aluminum block； and small solidification rate after over-heating at 720 ℃ leads to the formation of primary Al₉FeNi phase．

基金信息：国家重大基础研究资助发展计划资助项目

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.02.010

熔铸工艺对2618合金中Al₉FeNi相形态的影响

王建华易丹青陈康华卢斌刘沙

湘潭大学机械工程学院!湘潭411105中南大学材料科学与工程系

长沙410083

中南大学材料科学与工程系!长沙410083

摘要：

研究了熔体过热、加冷料搅拌及冷却速度对 2 6 18合金中Al9FeNi相形态的影响。结果表明 , 与 2 6 18合金熔体 72 0℃正常熔炼浇注相比 , 熔体 96 0℃过热处理可得到更加细小均匀的针片状Al9FeNi相 , 特别是880℃过热加纯铝锭冷料搅拌处理可得到长度约 4μm的细小颗粒状Al9FeNi相 , 而合金熔体在 72 0℃过热后缓慢冷却导致Al9FeNi相的初晶偏析

关键词：

熔铸工艺;2618合金;Al9FeNi相形态;

中图分类号： TG292

收稿日期：2000-06-26

基金：国家“九七三”重点资助项目! (G19990 6 490 9);粉末冶金国家重点实验室开放课题资助项目;

Effect of casting process on microstructure of Al₉FeNi phase in 2618 alloy

Abstract：

The effects of melt over heating, melt stirring after adding cold metal as well as cooling rate of liquid metal on the morphology of Al 9FeNi phase in 2618 alloy have been investigated.The results show that melt over heating treatment at 960 ℃ leads to finer and better distributed needle like Al 9FeNi phase comparing with normal casting process at 720 ℃; the grain size of Al 9FeNi phase is about 4 μm in length, which could be obtained by over heating the liquid 2618 alloy at 880 ℃ and melt stirring after adding cold aluminum block; and small solidification rate after over heating at 720 ℃ leads to the formation of primary Al 9FeNi phase. [

Keyword：

casting process; 2618 alloy; morphology of Al 9FeNi phase;

Received： 2000-06-26

随着国防工业和航空工业的高速发展, 人们对耐热铝合金提出了更高的要求。2618合金属于AlCu-Mg-Fe-Ni系锻铝 (LD7) , 是目前耐热性能最好的铝合金。它具有良好的热塑性和压力加工性能, 被广泛应用于制造航空发动机和其它在高温条件下工作的零部件 ^[1] 。为了提高2618合金的高温力学性能, 前人做了许多研究工作 ^[2,3,4,5,6] , 提高该合金在服役条件下的强度是国家“九七三”研究项目的子课题。Al₉FeNi相是2618合金中的高温强化相, 适当增加Fe和Ni含量、增加Al₉FeNi相的体积分数并细化Al₉FeNi相是提高该合金耐热性能的主要手段之一, 但是当Fe和Ni含量增加后, 熔铸过程中会出现粗大的Al₉FeNi初晶相, 反而恶化合金性能, 因此生产中Fe和Ni含量一般控制在0.9%～1.2%。熔体过热和搅拌处理可以消除组织遗传, 细化或改变合金中第二相形态 ^[7,8,9] 。本文作者研究了增加2618合金中的Fe和Ni含量后, 改变熔铸工艺对Al₉FeNi相形态的影响。

1 实验

用铝锭、铝铜、铝铁、铝镍及纯镁配置成分如表1所示的2618合金, 在电阻炉坩埚中分别加热到720, 800, 880和960℃, 保温15min, 然后浇入预热至100℃的d16 mm钢锭模中, 以考察熔体过热对2618合金中Al₉FeNi相形态的影响。

将成分如表所示的合金熔体分别过热到800, 880和960℃, 保温15min, 然后加入预热至100℃左右的2618合金回炉料, 充分搅拌, 浇入预热至100℃的d16mm锭模中;回炉料为2618合金熔体720℃保温浇注的d16 mm锭料, 加入量以炉料急冷后使熔体温度降至约720℃～750℃为宜。为消除合金回炉料中Al₉FeNi相的组织遗传性, 改善Al₉FeNi相的形态, 将成分 (质量分数, %) 为Cu2.64, Mg1.92, Fe1.8, Ni1.8, 余Al的2618合金熔体过热到880℃, 然后加入20%的预热至100℃的纯铝, 充分搅拌后浇入预热至100℃的d16mm锭模中。

表1 2618合金设计化学成分 Table 1 Composition of 2618 alloy (%)

为考察冷却速度对2618合金中Al₉FeNi相形态的影响, 将720℃过热15min的熔体分别浇入预热至100℃和250℃的d16mm锭模中。

所有试样均在480℃进行15h均匀化退火, 使S (Al₂CuMg) 相充分溶解并弥散析出, 以便清晰地观察Al₉FeNi相的形态。试样采用Kelor试剂腐蚀后在POLYVAR-MET型光学显微镜上观察组织。

2 结果

2.1 熔体过热处理2618合金中Al9FeNi相形态

实验发现熔体在不同温度过热后以较快的冷却速度凝固, 试样的金相组织有明显差别, 如图1所示。由图可见, 720℃过热时Al₉FeNi相呈较细的针片状, 800℃过热和880℃均匀过热时Al₉FeNi的相形态和尺寸没有改变多大, 而960℃过热时Al₉FeNi相明显均匀细化, 但合金液长期处于高温状态, 吸气倾向增加, 脱气不良, 因而熔体凝固后出现了气孔。

2.2 熔体过热加冷料搅拌后Al9FeNi相的形态

图2所示为熔体过热加回炉冷料急冷再搅拌后2618合金中Al₉FeNi相形态的光学显微照片。从图中可以看出, 熔体过热加冷料搅拌后Al₉FeNi相形态仍为针片状, 且较720℃过热时的组织更粗大;880℃过热加纯铝锭冷料搅拌后, 基体组织α (Al) 相为细小的等轴晶, 而Al₉FeNi相则以断续状分布在晶界, 高倍放大后可见Al₉FeNi相以细小颗粒状存在, 经测定, 最大颗粒的平均直径为4μm。

2.3 不同冷却速度凝固的2618合金中Al9FeNi相形态

图3所示为2618合金在720℃熔化后浇入250℃锭模后的均匀化组织。由图可见, 合金中出现了粗大的Al₉FeNi初晶偏析。而图1 (a) 所示是合金液在720℃熔化后浇入100℃锭模中凝固后均匀化的组织, 其中Al₉FeNi相以细小针状形式存在, 没有出现Al₉FeNi初晶偏析。由此可知, 冷却速度对Al₉FeNi相的形态影响十分显著。将960℃过热后的合金浇入冷模 (室温) 后再次重熔至720℃, 然后浇入250℃的锭模中凝固, 组织中仍出现了Al₉FeNi相初晶偏析。

3 讨论

实验结果表明, 2618合金熔体在不同温度过热后, Al₉FeNi相形态有较大改变。在720℃过热后浇注, 由于熔体冷却速度较大, Al₉FeNi相难以聚集, 故Al₉FeNi相呈较细小的针片状;在960℃过热后浇注, 虽然冷却速度慢, 但Al₉FeNi相却呈更细小均匀的形态, 这是因为Al-Fe中间合金中粗大的Al₃Fe相组织遗传得以彻底消除。而800℃和880℃过热后浇注, 虽然冷却速度比720℃浇注时小, 但因Al-Fe中间合金中粗大的Al₃Fe相组织遗传得以部分消除, 所以Al₉FeNi相的形态和尺寸与720℃浇注时相差不大。图4所示为Al-10%Fe和Al-10%Ni中间合金组织, 组织中有粗大的针片状和颗粒状初晶相。查二元相图手册 ^[10] 可知Al-10%Fe和Al-10%Ni液相线温度分别约为880℃和600℃。当过热到液相线温度以上时, Al₃Fe和Al₃Ni将得以彻底溶解, Fe和Ni原子均匀分布在铝液中, 在随后的冷却过程中形成细小均匀分布的Al₉FeNi相。而在较低的过热温度下, 由于初晶Al₃Fe难以得到彻底溶解, 还残留有许多弥散的Al₃Fe核心。在随后的凝固过程中, 若冷却速度较慢, 将促进形成较粗的针状Al₉FeNi相。若进一步降低熔体凝固速度 (如250℃模) , 未完全溶解的Al₃Fe及新形成的Al₉FeNi相将产生偏聚, 以至出现粗大初晶Al₉FeNi相。

图1 熔体过热处理引起的Al9FeNi相形态的变化

Fig.1 Changes of morphologies of Al₉FeNi phase by over-heating liquid 2618 alloy

(a) —720℃; (b) —800℃; (c) —880℃; (d) —960℃

图2 熔体过热加冷料搅拌后Al9FeNi相形态

Fig.2 Morphologies of Al₉FeNi phase by melt over-heating, stirring after adding cold metal into liquid 2618 alloy

(a) —880℃, adding return metal; (b) —960℃, adding return metal; (c) —880℃, adding pure aluminum; (d) —Amplification of Fig.2 (c)

图3 均匀化组织

Fig.3 Homogenous microstructure

将2618合金熔体过热加合金回炉冷料急冷凝固后, 合金中Al₉FeNi相没有得到细化, 形态也未得到改变, 仍为较粗大的针状组织, 这主要是由于合金冷料加入熔体后Al₉FeNi相未能完全熔化溶解, 从而在凝固过程中促进Al₉FeNi相的形成所致。而熔体880℃过热加铝锭搅拌急冷后, 铸锭基体组织变为细小的等轴晶, 且Al₉FeNi相形态发生质的变化, 它以细小颗粒状分布在α相晶界处。这主要是冷铝锭在过热熔体中急速熔化时, 产生了许多微粒悬浮体 ^[11] , 它们可以起非均质形核作用, 作为α相形核的核心, 另外微粒还起微型冷铁作用改善成核条件, 形成更大的成分起伏和能量起伏 ^[11] , 从而获得较细小的晶粒组织。晶粒细化和强烈的机械搅拌使Al₉FeNi相以细微颗粒分布在晶界处。