摘要
Al-Cu铸造铝合金具有优异的热处理强化能力和力学性能，广泛应用于航空、汽车和轨道交通等领域。在“碳达峰”和“碳中和”的大背景下，使用再生铝制备高强铸造Al-Cu合金铸锭，进而铸造高性能铸件已经成为一个重要命题。但是再生铝合金中Fe元素含量较高，对Al-Cu铸造铝合金的微观组织和力学性能影响巨大。因此，本文探究Si、Fe和Mn元素对Al-5Cu合金微观组织及力学性能的影响，对提高再生铝在高强铸造Al-Cu合金中的应用具有重要的理论意义和应用价值。 采用倾转铸造制备样品，利用OM、XRD、DSC、SEM、EDS、TEM等分析测试手段，研究Si、Fe和Mn元素的综合调节作用对Al-5Cu铸造合金显微组织及力学性能的影响，着重探讨凝固结晶相的形成及其对Al-5Cu铸造铝合金力学性能的影响，进而分析固溶处理中凝固结晶相的演变规律及固溶处理后残余结晶相对合金力学性能的影响。主要结论如下： （1）Fe对Al-5Cu铸造合金力学性能的影响主要是因为晶界处富铁相的种类和尺寸。Fe含量低时（0.3wt.%），富铁相以针状β-Fe为主。Fe含量进一步增多（＞0.5wt.%），富铁相逐步转变为汉字状α-Fe富铁相。汉字状富铁相比针状富铁相更有助于提高Al-5Cu铸造合金的力学性能，且汉字状富铁相的面积尺寸不宜过大，其平均尺寸在700-800μm2为最佳。 （2）Si元素可以通过中和变质的作用细化针状β-Fe，且促进汉字状α-Fe产生，但是随着Si含量进一步增多，Si颗粒发生团聚且针状富铁相会再次粗大。本文中，Si元素最佳的添加量为1%。Al-5Cu-1Si-0.1Fe合金力学性能为：抗拉强度：192MPa、延伸率：9.9%；Al-5Cu-1Si-0.8Fe合金力学性能为：抗拉强度：206MPa、延伸率：7.9%。 （3）Mn对Al-5Cu铸造合金中针状富铁相的变质调节效果比较明显，但Mn含量过多时汉字状富铁相的尺寸会急剧变大，铸造缺陷增多。适当减少Mn含量，增多Si含量，控制(Si+Mn)/Fe=4可以有效减少铸造缺陷，提高铸造铝铜合金的强度、塑性及达到较好的抗热裂性。 （4）固溶处理阶段第二相的演变为：Al2Cu逐步回溶进铝基体中；Si相逐步分解、球化进而变粗；固溶处理后期针状富铁相会出现中部溶断细化现象，以及部分汉字状富铁相转变为针状Al7Cu2Fe相。 （5）本文条件下，最佳的固溶处理制度为:520℃×5h。在热处理（固溶处理：520℃×5h；时效处理：160℃×12h）后，实验的三种合金最佳的力学性能为：1Si-0.3Fe-0Mn（抗拉强度：312MPa；延伸率：4.8%）；1Si-0.3Fe-0.5Mn（抗拉强度：341MPa；延伸率：6.2%）；1Si-0.8Fe-0Mn（抗拉强度：281MPa；延伸率：4.4%）。其中1Si-0.3Fe-0.5Mn合金的抗拉强度和延伸率达到最高。
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