铸造Be-Al-Sc系合金设计制备与组织性能研究
发布时间：2023-08-30 02:28
铍铝合金(Be-Al)是具有优异的力学、热学、光学、机加性能的轻质合金且成本相对低,在航空航天、武器系统、高端民用技术等领域有着重要的应用。现有铍铝合金制备技术中,铸造具有相对简单的生产工艺、低成本和良好的近净成形能力,更适合大尺寸、复杂结构合金部件的制备,有利于进一步扩展铍铝合金的应用领域。铸造铍铝合金实质是一种金属基复合材料,表现为强化相铍与基体相铝构成的互相穿透的三维网状组织,铍相往往为发达的柱状枝晶,铝相填充铍枝晶臂间隙,合金较宽的凝固区间导致内部存在难以控制的缩松、孔洞及成分偏析,严重制约了铸造合金的力学性能及其工程应用。稀土元素钪(Sc)添加对铸造铍铝合金具有良好的组织改性和性能调控作用,Sc合金化结合快速凝固的协同作用有望解决铸造铍铝合金中发达的铍柱状枝晶和凝固缺陷等问题,有利于改性铸造铍铝合金微观组织并提升其综合性能。本文立足于综合性能较好的洛克铍铝合金成分(62Be-38Al,wt.%),通过合金化设计,系统研究了 Sc添加对铸造铍铝合金微观组织及力学性能的调控规律,揭示了 Sc添加对铸造合金的组织改性与合金强化机理,阐明了合金断裂失效机制,设计并总结了优化的热处理制...
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第一章 绪论
1.1 Be及Be-Al合金的性质与应用
1.1.1 金属Be的基本性质
1.1.2 Be-Al合金的基本性质
1.1.3 Be-Al合金的制备与应用
1.1.4 铸造Be-Al合金的组织特点
1.2 铸造Be-Al合金研究现状
1.2.1 组织改性
1.2.1.1 合金元素的影响
1.2.1.2 熔体快速/准快速凝固的影响
1.2.2 合金热处理
1.2.3 力学模型与断裂机制
1.2.3.1 力学模型
1.2.3.2 断裂机制
1.3 合金元素的选择
1.4 本论文研究背景、内容与意义
1.4.1 研究背景与意义
1.4.2 研究目标与内容
第二章 实验材料与方法
2.1 合金成分设计
2.2 合金制备
2.2.1 实验原料
2.2.2 合金熔炼
2.2.2.1 真空非自耗电弧熔炼
2.2.2.2 吸铸与单辊快淬
2.2.2.3 真空感应熔炼
2.3 合金热处理与热加工
2.3.1 热处理
2.3.2 热变形模拟
2.4 合金组织、成分与物相分析
2.4.1 金相显微组织分析(OM)
2.4.2 晶粒尺寸分析
2.4.3 化学成分分析
2.4.4 X射线衍射分析(XRD)
2.4.5 扫描电子显微镜分析(SEM)
2.4.6 透射电子显微镜分析(TEM)
2.4.7 飞行时间-二次离子谱分析(Tof-SIMS)
2.4.8 X射线光电子能谱分析(XPS)
2.4.9 原子力显微镜(AFM)分析
2.5 热分析
2.6 内部缺陷分析
2.7 性能分析
2.7.1 维氏硬度分析
2.7.2 纳米压痕分析
2.7.3 拉伸性能分析
2.7.4 电导率分析
2.7.5 冲击性能分析
第三章 VAM铸造Be-Al-xSc合金的组织与性能
3.1 实验过程及合金组成
3.2 合金微观组织演变
3.2.1 组织形貌分析
3.2.2 相组成
3.2.3 热分析
3.2.4 组织演变及热性能分析
3.2.4.1 第二相与Be基体的晶格错配度
3.2.4.2 Sc对Be-Al合金组织演变的影响
3.3 合金宏、微观硬度分析
3.3.1 维氏硬度分析
3.3.2 纳米压痕分析
3.3.3 室温拉伸性能
3.4 本章小结
第四章 铸造Be-Al-0.4Sc合金组织、性能及热处理条件
4.1 实验过程及合金成分
4.2 合金微观组织与相组成
4.3 合金力学性能
4.3.1 纳米压痕分析
4.3.2 室温拉伸性能与强化机制
4.3.2.1 拉伸力学性能与断口形貌
4.3.2.2 合金强化机制
4.3.3 拉伸断裂过程
4.3.4 合金冲击韧性
4.3.5 冲击断口形貌
4.4 Be-Al-0.4Sc合金热处理制度
4.4.1 均匀化热处理
4.4.2 均匀化动力学分析
4.4.2.1 均匀化扩散动力学方程
4.4.2.2 Sc原子扩散激活能Q
4.4.3 时效热处理
4.4.3.1 等时时效
4.4.3.2 等温时效
4.4.4 Al3Sc时效析出过程
4.4.5 热性能分析
4.5 本章小结
第五章 铸造Be-Al-0.4Sc合金热压缩变形行为研究
5.1 铸造Be-Al-0.4Sc合金的高温流变行为
5.1.1 流变应力-应变曲线
5.1.2 应变速率和温度对峰值应力的影响
5.2 本构方程的建立
5.2.1 材料常数α
5.2.2 应力指数n
5.2.3 变形激活能Qd
5.2.4 合金本构方程
5.3 热压缩Be-Al-0.4Sc合金组织分析
5.4 合金热加工图的构建与失稳分析
5.4.1 加工图理论
5.4.2 加工图的构建
5.5 本章小结
第六章 0.4(Sc,Zr)合金化及凝固速率对铸造合金组织和性能的影响
6.1 实验过程及合金成分
6.2 铸造Be-Al-0.4Sc-0.4Zr合金组织与相组成
6.2.1 VAM合金微观组织与物相分析
6.2.2 VIM合金微观组织与物相分析
6.2.3 Be13Sc的标准Gibbs自由能
6.3 铸造Be-Al-0.4Sc-0.4Zr合金微观力学性能
6.3.1 VAM合金微观力学性能
6.3.2 VIM合金微观力学性能
6.3.3 压痕分析与微观力学性能校正
6.4 凝固速率对铸造合金影响的初步研究
6.4.1 合金显微组织与性能
6.4.2 中试合金部件凝固缺陷与性能
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
论文创新点
参考文献
附录A 读博期间学术成果与活动
附录B 单辊快淬甩带(临界)凝固速率估算
致谢
本文编号：3844756
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第一章 绪论
1.1 Be及Be-Al合金的性质与应用
1.1.1 金属Be的基本性质
1.1.2 Be-Al合金的基本性质
1.1.3 Be-Al合金的制备与应用
1.1.4 铸造Be-Al合金的组织特点
1.2 铸造Be-Al合金研究现状
1.2.1 组织改性
1.2.1.1 合金元素的影响
1.2.1.2 熔体快速/准快速凝固的影响
1.2.2 合金热处理
1.2.3 力学模型与断裂机制
1.2.3.1 力学模型
1.2.3.2 断裂机制
1.3 合金元素的选择
1.4 本论文研究背景、内容与意义
1.4.1 研究背景与意义
1.4.2 研究目标与内容
第二章 实验材料与方法
2.1 合金成分设计
2.2 合金制备
2.2.1 实验原料
2.2.2 合金熔炼
2.2.2.1 真空非自耗电弧熔炼
2.2.2.2 吸铸与单辊快淬
2.2.2.3 真空感应熔炼
2.3 合金热处理与热加工
2.3.1 热处理
2.3.2 热变形模拟
2.4 合金组织、成分与物相分析
2.4.1 金相显微组织分析(OM)
2.4.2 晶粒尺寸分析
2.4.3 化学成分分析
2.4.4 X射线衍射分析(XRD)
2.4.5 扫描电子显微镜分析(SEM)
2.4.6 透射电子显微镜分析(TEM)
2.4.7 飞行时间-二次离子谱分析(Tof-SIMS)
2.4.8 X射线光电子能谱分析(XPS)
2.4.9 原子力显微镜(AFM)分析
2.5 热分析
2.6 内部缺陷分析
2.7 性能分析
2.7.1 维氏硬度分析
2.7.2 纳米压痕分析
2.7.3 拉伸性能分析
2.7.4 电导率分析
2.7.5 冲击性能分析
第三章 VAM铸造Be-Al-xSc合金的组织与性能
3.1 实验过程及合金组成
3.2 合金微观组织演变
3.2.1 组织形貌分析
3.2.2 相组成
3.2.3 热分析
3.2.4 组织演变及热性能分析
3.2.4.1 第二相与Be基体的晶格错配度
3.2.4.2 Sc对Be-Al合金组织演变的影响
3.3 合金宏、微观硬度分析
3.3.1 维氏硬度分析
3.3.2 纳米压痕分析
3.3.3 室温拉伸性能
3.4 本章小结
第四章 铸造Be-Al-0.4Sc合金组织、性能及热处理条件
4.1 实验过程及合金成分
4.2 合金微观组织与相组成
4.3 合金力学性能
4.3.1 纳米压痕分析
4.3.2 室温拉伸性能与强化机制
4.3.2.1 拉伸力学性能与断口形貌
4.3.2.2 合金强化机制
4.3.3 拉伸断裂过程
4.3.4 合金冲击韧性
4.3.5 冲击断口形貌
4.4 Be-Al-0.4Sc合金热处理制度
4.4.1 均匀化热处理
4.4.2 均匀化动力学分析
4.4.2.1 均匀化扩散动力学方程
4.4.2.2 Sc原子扩散激活能Q
4.4.3 时效热处理
4.4.3.1 等时时效
4.4.3.2 等温时效
4.4.4 Al3Sc时效析出过程
4.4.5 热性能分析
4.5 本章小结
第五章 铸造Be-Al-0.4Sc合金热压缩变形行为研究
5.1 铸造Be-Al-0.4Sc合金的高温流变行为
5.1.1 流变应力-应变曲线
5.1.2 应变速率和温度对峰值应力的影响
5.2 本构方程的建立
5.2.1 材料常数α
5.2.2 应力指数n
5.2.3 变形激活能Qd
5.2.4 合金本构方程
5.3 热压缩Be-Al-0.4Sc合金组织分析
5.4 合金热加工图的构建与失稳分析
5.4.1 加工图理论
5.4.2 加工图的构建
5.5 本章小结
第六章 0.4(Sc,Zr)合金化及凝固速率对铸造合金组织和性能的影响
6.1 实验过程及合金成分
6.2 铸造Be-Al-0.4Sc-0.4Zr合金组织与相组成
6.2.1 VAM合金微观组织与物相分析
6.2.2 VIM合金微观组织与物相分析
6.2.3 Be13Sc的标准Gibbs自由能
6.3 铸造Be-Al-0.4Sc-0.4Zr合金微观力学性能
6.3.1 VAM合金微观力学性能
6.3.2 VIM合金微观力学性能
6.3.3 压痕分析与微观力学性能校正
6.4 凝固速率对铸造合金影响的初步研究
6.4.1 合金显微组织与性能
6.4.2 中试合金部件凝固缺陷与性能
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
论文创新点
参考文献
附录A 读博期间学术成果与活动
附录B 单辊快淬甩带(临界)凝固速率估算
致谢
本文编号：3844756
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