[发明专利]一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金及其制备方法，属于金属材料领域，主要合金元素成分为稀土元素La、Ce、Pr和Nd，基体为Al。其中，合金元素添加的种类为四种元素中的三种或四种，其摩尔比例相等，稀土元素总质量占比为11.0％‑17.0％，余量为铝，其余杂质含量不超过合金总质量的0.5％。本发明合金，在凝固过程中形成具有Alsubgt;11/subgt;Lasubgt;3/subgt;结构的高熵化合物相，通过提高化合物的配置熵，该化合物结构稳定，耐温性能高；同时，形成的铝与高熵化合物共晶相，具有层片状组织特征，具有很高的硬度和高温力学性能，满足活塞合金的应用要求。

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金及其制备方法。

背景技术

活塞用铝硅合金是汽车发动机零部件的重要材料。活塞长期工作在高温高压的恶劣环境中，极易产生疲劳失效现象。特别是作为主要耐磨相的初生硅及共晶硅相，其凝固组织分别为粗大的板条状和颗粒状形态，容易诱发应力集中，同时在工作温度较高的情况下，其组织形态易发生球化与长大，不利于工作性能的稳定保持。为了提高活塞用铝硅合金的性能，目前常用的技术手段包括晶粒细化，硅相变质处理以及热处理组织调控等，但无法从根本上解决铝硅合金自身固有的组织缺陷，仅能改善组织形态以满足一定的服役要求。

发明内容

技术问题：本发明通过熵工程材料设计，提出一种采用多种La系稀土元素作为主要合金元素，在凝固过程中形成具有Al₁₁La₃结构的高熵化合物，铝与该高熵化合物具有典型的层片状共晶凝固组织，利用高熵化合物具有的高熔点、高硬度及高温稳定性，突破活塞用铝硅合金性能，应用于高功率发动机活塞制造。

技术方案：一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金及其制备方法，其技术方案如下：

一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金材料，所述合金中，主要合金元素成分为稀土元素La、Ce、Pr和Nd，基体为Al；其中，合金元素添加的种类为四种元素中的三种或四种，其摩尔比例相等，稀土元素总质量占比为11.0％-17.0％，余量为铝，其余杂质含量不超过合金总质量的0.5％。

一种熵工程共晶型铝稀土铸造合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：以工业纯铝、Al-20La、Al-20Ce、Al-20Pr和Al-20Nd中间合金为原料，根据所设计的合金成分配比进行称量配料，所有称量配料置于烘箱中于250℃烘干备料；

步骤2：将所称量的原料放入坩埚中，通过感应加热在800℃-850℃下快速熔化后，将坩埚转移至电阻炉保温，保温温度为745℃-755℃，保温15-30分钟，保温过程中，采用氮气保护，氮气压力保持在0.4MPa；

步骤3：保温结束后，电阻炉温度降至720℃，加入合金总质量0.6％的复合精炼剂，并采用超声搅拌，超声频率为18kHz，功率为90W，搅拌时间30秒，随后在720℃静置15-30分钟；

步骤4：静置结束后，将电阻炉温度升至750℃，保温10分钟，撇去表层浮渣，将铝水浇入预先预热的金属铸型中，即获得该合金材料。

有益效果：本发明的具体优势如下：

(1)本发明通过熵工程设计，采用多种La系稀土作为合金元素，在凝固过程中形成具有Al₁₁La₃结构的高熵化合物相，通过提高化合物的配置熵，该化合物结构稳定，耐温性能高，显著提高了铝合金的高温力学性能。

(2)本发明涉及的合金组织中，共晶相为层片状共晶组织，其熔点高于铝硅合金，且无明显的角块状组织，缓解了应力集中，共晶相硬度高，合金硬度达到90-100HB。

(3)本发明涉及的合金在300℃热暴露5个小时下，无明显的组织改变，具有显著的高温组织稳定性。

附图说明