摘要
铝合金因其低密度、高强度、成形性能好、优异的耐腐蚀性能等特点，在航空航天、轨道交通和国防军工等领域的轻量化发展中发挥了举足轻重的作用。Al-Cu及Al-Si-Cu-Ni-Mg系合金是车辆用活塞的主要铝制金属材料，与基体呈半共格关系的θ''相是活塞合金时效析出的重要强化相。随着发动机功率密度的提升，高功率密度发动机活塞顶部的服役温度已经超过400℃。已有文献报道当温度高于250℃时，θ''相逐渐转变为与基体完全不共格的稳定θ-Al2Cu相，失去强化效果。然而在高功率密度柴油机活塞服役温度及更高温度下，以时效析出强化的Al-Cu系合金的组织演变规律尚未见文献报道。时效析出相的析出次序及析出动力学对材料是否满足服役要求至关重要。因此亟需研究Al-Cu系合金在400℃及以上的组织演变规律及其对力学性能的影响，为部件服役安全性和可靠性提供保障。热暴露可以模拟研究合金在特定条件下相的析出行为以及微观组织演变对合金力学性能的影响，为优化热处理技术提供实验与理论依据。本文以Al-5Cu二元合金为研究对象，系统研究了在固溶过程以及425℃热暴露过程中Al-Cu相的析出行为以及组织演变对合金性能的影响，为耐热活塞铝合金的设计研发提供参考。获得主要结论如下： (1)研究了525℃下固溶时间对Al-5Cu合金组织与性能的影响，通过对基体中Cu原子的含量、凝固析出Al2Cu相含量以及α-Al(111)晶面间距的变化确定了合金的最优固溶制度(525℃/6h)。经固溶处理后共晶组织完全溶解，合金基体中Cu原子含量达到最大值4.74wt.%，尚存在少量因超过Cu固溶度而不能溶解的颗粒状θ-Al2Cu相。固溶处理改善了合金的抗拉强度以及延伸率。 (2)通过定量分析热暴露过程中析出相的形貌、体积分数、数密度以及相间距，研究了热暴露过程中Al-5Cu合金中相析出行为及演变过程。425℃热暴露下合金中仍然形成的是Al2Cu相而不是AlCu相或者Al4Cu9相，温度的升高显著加速了Al2Cu相的析出速度和不共格相θ-Al2Cu长大、粗化速度。在425℃下热暴露3min之前主要是θ′相的析出，3-5minθ′相开始转变为θ-Al2Cu，2h后θ′相完全转变为θ-Al2Cu相。2-36h为θ-Al2Cu长大阶段，此时相的平均长度为587nm，宽度由210nm长大到304nm。36-84h为θ-Al2Cu相的稳定阶段，此时相平均长度为563nm。84-180h为θ-Al2Cu相的再长大过程，由于θ-Al2Cu相尺寸不均匀，颗粒间存在势能差导致其粗化，根据统计结果可知θ-Al2Cu相长度由562nm增大到1528nm。同时发现随着时间延长θ-Al2Cu相形貌发生改变，由条状转变为近球状再次转变为板条状相。 (3)研究了425℃下热暴露对合金性能的影响。通过分析可知热暴露过程合金性能分为三个阶段：第一，剧烈下降阶段(3min-2h)，此时合金中与基体呈半共格位向关系的θ''相转变为θ-Al2Cu相，并且析出相数密度快速下降，析出相间距快速增加，极大降低了对合金的强化效果，同时基体中Cu原子向外快速扩散，削弱了Cu原子在基体中的固溶强化作用。第二，稳定阶段(2-84h)，此时合金中析出相为θ-Al2Cu相且形貌逐渐圆整化。第三，再次下降阶段(100-180h)，此时合金基体中Cu原子的溶解与析出逐渐达到动态平衡，但θ-Al2Cu相的粗化严重，导致析出相间距再次增加使得析出相体积分数下降，最终降削弱了Al2Cu相的析出强化效果。基于金属强化理论构建了热暴露过程中合金力学性能预测模型，分析得出：固溶强化在热暴露2h内快速下降，在随后的热暴露过程存在波动但整体变化并不明显。热暴露过程中析出强化整体变化趋势更加符合合金实际强度变化，因此析出强化是影响合金力学性能的主要因素，影响析出强化的主要因素为析出相的类型、形貌尺寸、体积分数、数密度以及相间距。
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