Al-SI-Fe中間合金研制及其促進(jìn)鋁硅合金中的硅相形核機(jī)制研究.pdf

1、熔體中固相晶體形成是一個(gè)以形核為開端的一級(jí)相變過程。形核決定了最終晶體的形貌和尺寸分布，進(jìn)而決定了晶體的各種功能和性能。以Al-Si合金熔體的凝固過程為例，鋁相（包括初生鋁和共晶鋁）或者硅相（包括初生硅和共晶硅）的形核難易程度通過對(duì)相應(yīng)晶粒尺寸和形貌的影響決定了合金的各種性能，包括:力學(xué)性能、耐蝕性能等。因此，工業(yè)生產(chǎn)中往往對(duì)Al-Si合金熔體的形核過程施加影響，以期調(diào)控鑄件的性能。基于經(jīng)典形核理論，熔體中的形核方式包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)

2、形核兩種方式?；诜蔷|(zhì)形核理論，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄件凝固組織的優(yōu)化通常向熔體中添加晶種材料（細(xì)化劑或孕育劑），促進(jìn)熔體異質(zhì)形核，細(xì)化鑄件晶粒。然而，本文通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Al-Si熔體中存在超出經(jīng)典形核理論范疇的形核機(jī)制-基于團(tuán)簇聚合的形核機(jī)制，并且其可以用來調(diào)控凝固組織。
　　首先，通過系統(tǒng)研究Al-Si-Fe合金凝固行為，提出誘導(dǎo)團(tuán)簇聚合形核機(jī)制發(fā)生的方式。鐵元素是Al-Si合金中不可避免的雜質(zhì)元素，長期以來一直被視作有害元素。但是

3、以Al、Fe、Si三種元素構(gòu)成的β-Al5FeSi相被發(fā)現(xiàn)可以作為初生硅的形核基底，從而提供了一種利用鋁硅合金中鐵元素促進(jìn)形核的方式。通過計(jì)算相圖等手段，并結(jié)合固相XRD，SEM，TEM等表征方法，確定了一種可以通過外加方式促進(jìn)鋁硅熔體中硅相形核的孕育劑——Al-Si-Fe中間合金。進(jìn)一步結(jié)合中間合金凝固過程中的原位XRD，闡明了中間合金在加入到Al-Si合金熔體中的結(jié)構(gòu)演變方式。在中間合金的原位XRD中，液相線以上主峰之前出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于

4、(AlFeSi)團(tuán)簇的預(yù)峰，預(yù)峰的位置與α-Al8Fe2Si相的衍射峰吻合很好，而與β-Al5FeSi相的衍射峰差異很大。因此，中間合金加入到Al-Si熔體中將發(fā)生如下結(jié)構(gòu)演變:β-Al5FeSi→α-Al8Fe2Si→(AlFeSi)團(tuán)簇。
　　其次，研究了Al-Si-Fe中間合金對(duì)Al-20Si熔體初生硅細(xì)化效果與熔體溫度和保溫時(shí)間之間的關(guān)系。Al-20Si熔體在780℃孕育處理并保溫不同時(shí)間，凝固組織中初生硅尺寸隨著保溫時(shí)間

5、(60min，120min，180min)的增加而增大，并且孕育效果最終喪失。在800℃和850℃孕育并保溫60min，凝固組織中初生硅分別表現(xiàn)出細(xì)化和不細(xì)化。在700℃、750℃、800℃孕育并保溫15min，凝固組織中初生硅隨著保溫溫度的升高輕微的變大。在孕育處理后的硅顆粒中可以發(fā)現(xiàn)高密度的未知納米貧鐵顆粒。顯然，從中間合金中演變而來的(AlFeSi)團(tuán)簇是促進(jìn)硅相形核的關(guān)鍵因素，并最終演變?yōu)楣桀w粒中貧鐵納米顆粒。
　　最后，

6、研究了Al-Si-Fe中間合金對(duì)Sr變質(zhì)的Al-10Si熔體中共晶團(tuán)的細(xì)化效果，并結(jié)合Sr變質(zhì)機(jī)制，提出了中間合金促進(jìn)硅相形核的機(jī)制-基于團(tuán)簇聚合的形核機(jī)制。Sr變質(zhì)的Al-10Si熔體經(jīng)過Al-Si-Fe中間合金進(jìn)一步孕育處理可以將共晶團(tuán)尺寸從1450μm降低至350μm。但是在Sr的變質(zhì)作用喪失之前，共晶團(tuán)尺寸始終不能恢復(fù)到未變質(zhì)條件下的水平（＜100μm），并且共晶團(tuán)尺寸隨著Sr含量的降低而逐步降低。在變質(zhì)并孕育處理的合金中，硅顆

7、粒中存在高密度的10nm左右的納米顆粒，但是在(111)Si晶面內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)孿晶存在。這些納米顆粒與Al-20Si合金中發(fā)現(xiàn)的一致，是由(AlFeSi)團(tuán)簇演變而來?；赟r變質(zhì)的雜質(zhì)誘導(dǎo)孿晶理論，Sr變質(zhì)總是伴隨著硅顆粒(111)Si晶面上出現(xiàn)高密度的孿晶。在本文中孕育處理后孿晶消失被認(rèn)為是由于孕育處理改變了硅顆粒從熔體中形核長大的方式，即不再唯一依賴單原子向晶胚或晶體上的附著?；谝陨戏治鎏岢隽嗽杏幚砗蠊柘嗷趫F(tuán)簇聚合的形核方式:中

8、間合金加入到Al-Si熔體中演變?yōu)?AlFeSi)團(tuán)簇，誘導(dǎo)硅原子在(AlFeSi)團(tuán)簇表面富集，進(jìn)而導(dǎo)致(AlFeSi)團(tuán)簇中鐵原子擴(kuò)散到熔體中，從而形成了富含硅原子并包含鋁原子但貧鐵的前驅(qū)體，這些前驅(qū)體和熔體中剩余孤立硅原子聚集形成晶胚并依靠他們的不斷向晶胚（晶體）附著實(shí)現(xiàn)硅顆粒的長大。由于Sr變質(zhì)改變了Al-Si熔體結(jié)構(gòu)，阻礙了硅原子團(tuán)聚行為依照正常水平進(jìn)行，進(jìn)而延遲了(AlFeSi)團(tuán)簇發(fā)揮作用的溫度節(jié)點(diǎn)。在這種條件下，孕育處理