铝合金凝固过程中固相逆扩散现象及其对凝固裂纹敏感性影响机理研究

Aluminum alloys have wide application prospect in automotive weight reduction process, however, its high solidification cracking susceptibility can significantly reduce joint strength or even cause failure. Our previous studies have showed back diffusion can have a great effect on solidification cracking susceptibility of aluminum alloys, but researches on back diffusion during solidification of aluminum alloys is presently lacking，and the back diffusion intensity under different solidification condition and its influence factors and mechanism are unclear. This study will use segregation model, Fick’s second law and quenching experiment to analyze the back diffusion intensity during solidification of aluminum alloys. The effects of alloy composition, environmental pressure and cooling rate on back diffusion will be studied using phase equilibrium and kinetic method. Based on these studies, the formation mechanism of solidification cracking of aluminum alloys will be deeply discussed, and the database of the relation between solidification cracking susceptibility of aluminum alloys and composition will be built. The results can provide new understanding of the formation mechanism of solidification cracking and theoretical support and data reference for controlling solidification cracking of aluminum alloys.

铝合金在汽车轻量化进程中有着广阔的应用前景，然而其较高的凝固裂纹敏感性会显著降低其连接强度甚至引发失效。申请人前期研究结果表明固相逆扩散能够很大程度上影响铝合金的凝固裂纹敏感性，而针对铝合金凝固过程中固相逆扩散现象的研究目前尚较少,不同凝固条件下的固相逆扩散强度以及其影响因素和影响机理尚不明确。本项目运用偏析模型、菲克第二定律并结合淬火实验，研究铝合金凝固过程中的固相逆扩散强度；利用相平衡热力学和动力学方法，分析合金成分、环境压力和冷却速率对固相逆扩散的影响；在此基础上，深入探讨铝合金凝固裂纹的形成机理，建立铝合金凝固裂纹敏感性与成分间关系的数据库。研究成果可以为凝固裂纹的形成机理提供新认识，同时为抑制铝合金凝固裂纹的形成提供理论支持和数据参考。

铝合金是性能优异的轻量化材料，在航空航天、交通和建筑等领域有着广泛的应用。凝固裂纹是铝合金凝固过程中最严重的缺陷之一，极大的制约了铝合金的制备和应用。申请人前期研究表明凝固过程成发生在固相内的逆扩散对合金的裂纹敏感性有很大影响。针对这一情况，本项目对凝固过程中的固相逆扩散情况及其对裂纹的敏感性进行了更深入的研究。利用相平衡理论和相图热力学计算方法，建立了环境压力对凝固裂纹敏感性影响的数学模型并进行了相应的分析。结果表明环境压力的升高会增大Al-Si合金的凝固温度区间和平衡分配系数，因此也增强了固相逆扩散的强度。随着环境压力升高，裂纹敏感性增大，并且对裂纹最敏感的合金成分向着高浓度方向偏移。根据凝固热动力学理论和菲克第二定律，建立了偏析和固相逆扩散耦合模型，设计了相应的数值算法，分析了冷却速率对二元铝合金裂纹敏感性的影响，研究得到了不同冷却速率下的二元铝合金裂纹敏感性。根据裂纹敏感计算方法，结合商业热动力学软件Pandat对四元铝合金Al–Si–Mg–Cu，Al–Zn–Mg–Cu和 Al–Li–Mg–Cu的裂纹敏感性进行了研究，分析了合金成分、冷却速率以及固相逆扩散对铝合金裂纹敏感性的影响，研究得到了四元铝合金裂纹敏感性数据库，并进行了相应的实验数据验证。本项目的结果可为分析凝固过程中固相逆扩散对裂纹敏感性的影响提供直接的理论支持，同时建立的裂纹敏感性数据库可为合金成分设计，焊丝成分选择等提供直接的数据支持。