[发明专利]一种细化铝铜合金定向凝固组织的熔体过热处理温度

说明书

技术领域

本发明属于定向凝固和铝合金技术领域，特指一种细化铝铜合金定向凝固组织的熔体过热处理温度。

背景技术

定向凝固材料的性能在很大程度上取决于一次枝晶间距等特征长度，近年来，许多学者对定向凝固枝晶生长进行了大量研究。在固液界面微单元热量平衡分析的基础上，建立了晶体取向对一次枝晶间距影响的理论模型。该模型表明，一维择优晶体取向与宏观定向凝固方向偏离越远，一次枝晶间距越小。对单晶高温合金凝固组织尺度的实验研究结果表明，晶体取向对一次枝晶间距的影响趋势和理论模型相吻合，其影响程度和固液界面温度梯度及定向凝固速率有关。模型及实验都表明，提高固液界面温度梯度和定向凝固速率，晶体取向对一次枝晶间距的影响程度减弱。

熔体过热处理温度对定向凝固组织有显著影响。有人研究了熔体过热处理温度对镍基单晶高温合金凝固组织的影响，试验结果表明，随着熔体处理温度的增加，合金的凝固组织从粗枝晶向细枝晶转变，一次枝晶间距逐渐减小，并在1700℃发生突然减小，说明合金的临界温度在1700℃左右；枝晶干、枝晶间γ′的尺寸均减小，形状更规则，并且枝晶干、枝晶间γ′尺寸差别减小，枝晶偏析比趋近于1，这主要是由于熔体处理温度改变熔体结构的结果。随着熔体温度的升高，合金熔体结构因子曲线的主峰高度和对称性降低；次峰变得平滑。说明合金熔体随着过热温度的增加，熔体中的原子集团和各种结合键被破坏，熔体变得更加均匀，有序度降低。本发明开发出一种细化铝铜合金定向凝固组织的熔体过热温度。

发明内容

本发明的目的是开发出一种细化铝铜合金定向凝固组织的熔体过热处理温度，其特征为，先将纯度为99.99％的电解铝和99.99％的电解铜按要求的成分熔配成Al-4.7％Cu合金，然后在快速凝固法定向凝固炉中制备定向凝固试样。为在温度梯度、凝固速率等工艺因素相同的条件下观察熔体过热处理温度对定向凝固组织影响，须经大量的试验探索，确定定向凝固温度T₀及凝固速率V₀，再选定熔体过热处理温度T_s，在每次试验过程中，均是将其加热至T_s并保温t_s后迅速冷却至T₀温度，在相同的凝固速率V₀下进行定向凝固，以保证液固界面前沿温度梯度、凝固速率等工艺因素相同。本发明选定T₀＝750℃，V₀＝90μm/s，t_s＝60min，熔体的过热处理温度T_s分别为850℃、950℃及1050℃。

将定向凝固试样在稳定生长50mm的位置上截取长度约为20mm的样品，制成沿横截面和纵截面两块金相试样，在卧式光学显微镜上进行组织观察与照相，采用定量金相分析仪测定枝晶一次间距，用电子万能试验机测定Al-4.7Cu在不同温度处理条件下定向凝固试样的力学性能。

图1为在T₀＝750℃，V₀＝90μm/s，t_s＝60min条件下，Al-4.7Cu合金在T_s＝850～1050℃范围内定向凝固试验结果。结果表明，随着熔体过热处理温度T_s的提高，Al-4.7％Cu合金的凝固组织从粗枝晶向细枝晶转变，合金一次枝晶间距λ₁降低，即组织越来越细密，并在850～950℃减小幅度加剧。在过热处理的Al-Cu合金熔体中，由于熔体过热，导致不可逆类固型原子团簇熔化和原子集团平均尺度的变小，熔体结构发生变化，从而引起非均匀形核中心数量减少和形核过冷度增大，使均匀形核生长过程逐步占优。而且随着熔体过热处理温度T_s的提高，一次枝晶生长方向由偏转逐渐变直。经过850℃和1050℃过热处理的一次枝晶间距比在750℃无过热直接定向凝固的减小了19.8％-36.2％。由表1可见，抗拉强度σ_b/MPa比在750℃无过热直接定向凝固的提高了7.3％-28.8％，延伸率δ/％比在750℃无过热直接定向凝固的提高了34.1％-38.6％。显然，熔体过热处理温度对定向凝固一次枝晶间距有显著影响，可以细化定向凝固组织，提高力学性能，这主要是因为熔体过热处理改变了熔体的结构状态。熔体过热处理温度大于1050℃后，Al-4.7％Cu合金已不适应，因此Al-4.7％Cu合金进行定向凝固时，熔体过热处理温度不大于1050℃。其金相组织和力学性能见图1和表1。

附图说明