水平連續(xù)鑄造Al-Si合金組織及其控制研究.pdf

1、Al-Si系合金是鑄造鋁合金中品種最多，用量最大的合金，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、儀表及機械等工業(yè)領(lǐng)域。但水平連續(xù)鑄造Al-Si合金鑄錠存在Si相粗大、組織不均勻和縮孔等缺陷，嚴(yán)重?fù)p害了材料的力學(xué)性能。本文從金屬組織遺傳性原理出發(fā)，使用同種成分的細(xì)晶組織材料(Fine-grained Structural Materials，簡稱FSM)作為中間合金來優(yōu)化水平連鑄Al-Si合金組織，得到了組織均勻、細(xì)化、無縮孔缺陷，力學(xué)性能良好的合金鑄錠。

2、研究討論了FSM中間合金含量和工藝參數(shù)對合金組織和力學(xué)性能的影響，并利用電子背散射衍射(EBSD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高分辨電鏡(HRTEM)、差式掃描熱分析(DSC)等手段探討了FSM中間合金對共晶Si相的變質(zhì)機理。
　　 通過對Al-12％Si和Al-18％Si合金進行DSC分析確定了水平連鑄Al-12％Si和Al-18％Si合金FSM中間合金的加入溫度分別為720℃和740℃，并確定了制備FSM Al

3、-12％Si和Al-18％Si中間合金的工藝參數(shù)，即將Al-12％Si和Al-18％Si合金熔體分別過熱到900℃和950℃后水冷銅模鑄造加二次水冷，得到了初晶Si細(xì)化、共晶Si高度分枝的凝固組織。
　　 加入同種成分FSM中間合金制備的水平連鑄Al-12％Si和Al-18％Si合金鑄錠鑄錠橫截面上縮孔面積減少，顯微組織細(xì)化，組織均勻性得到改善，力學(xué)性能也有所提高。其中初晶α-Al二次枝晶臂間距減小，共晶Si由粗大的針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

4、高度分枝的纖維狀，初晶Si尺寸減小。DSC分析可知中間合金的加入可以明顯改善合金凝固過程對冷卻速度的敏感性，鑄錠合金表面和中心凝固曲線上過冷度差異明顯減小。但是，中間合金存在最佳加入量，在結(jié)晶器一次冷卻條件下，Al-12％Si和Al-18％Si的最佳加入量為30％，二次水冷卻條件下Al-18％Si最佳加入量為15％。
　　 對共晶Si變質(zhì)前后的生長機理進行了分析，結(jié)果表明未變質(zhì)共晶Si深腐蝕后表面和側(cè)面都呈明顯的板片狀特征，生長

5、端面以凸角特征為主，可以觀察到少量的凹角端面。并且生長端面能夠觀察到比較規(guī)則的生長臺階。大量TEM觀察并未發(fā)現(xiàn)Si晶體內(nèi)部有典型的孿晶缺陷，因此未變質(zhì)共晶Si中孿晶凹角生長機制(TPRE)并不是共晶Si生長的主要機制，而是臺階生長機制導(dǎo)致Si的板片狀形貌。Si中的位錯分解產(chǎn)生兩個不完位錯，并且位錯中間夾著一定寬度的層錯便可以成為Si生長有效的臺階源。
　　 EBSD分析較大范圍顯示了Al、Si兩相的共晶結(jié)構(gòu)。FSM中間合金變質(zhì)后

6、，共晶Si形貌由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，相鄰兩相間由大角度晶界轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗嵌葋喚Ы鐬橹?。共晶Si形核的位置由初晶α-Al枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w中彌散分布的Si原子集團，共晶團中Si相與Al相顯示出更為緊密的耦合生長關(guān)系，｛110｝Si和｛100｝Al的擇優(yōu)取向關(guān)系變得明顯。
　　 FSM中間合金不僅使共晶Si形貌發(fā)生了變化，也改變了共晶Si內(nèi)在晶體缺陷的性質(zhì)及分布。共晶Si內(nèi)部出現(xiàn)兩套斜交的孿晶系，密度和孿晶間距存在明顯差異。其中一套厚孿晶密

7、度較大，并且一直延伸到生長末端。而另一套則為微孿晶，或堆垛層錯。Si枝晶的結(jié)合處可以明顯觀察到堆垛層錯的存在，并且與Si分枝的方向垂直。即共晶Si中高密度層錯決定了Si的高密度分枝，Si分枝則以另一套厚孿晶TPRE機制繼續(xù)長大。
　　 對纖維狀共晶Si進行HRTEM分析發(fā)現(xiàn)FSM中間合金變質(zhì)后的Si中不僅出現(xiàn)了大量的孿晶和層錯，還彌散分布著許多黑色小顆粒，尺寸在10到20nm之間。對納米顆粒進行FFT變換，發(fā)現(xiàn)納米顆粒面間距約為

8、正常Si相的3倍。從能量和晶體學(xué)角度分析，確定納米顆粒為加入的中間合金未完全熔化形成的Si-Si原子集團。
　　 通過對共晶Si形貌和內(nèi)部缺陷分析確定FSM中間合金變質(zhì)共晶Si的生長機理為組織細(xì)化的Al-12％Si合金加入熔體后吸收熱量熔化，由于Si-Si鍵能較大，因此形成大量的Si-Si原子集團彌散分布在熔體中。從金屬組織遺傳角度來看，這些原子集團就是Al-Si合金的遺傳因子，它們保留了中間合金的細(xì)晶組織特征，使得最終得到組織