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(jī)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(jiǎn)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(duì)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(duì)共晶Si相的變質(zhì)機(jī)理。
　　 通過對(duì)Al-12％Si和Al-18％Si合金進(jìn)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(duì)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(duì)共晶Si變質(zhì)前后的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)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(zhǎng)

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(zhǎng)端面能夠觀察到比較規(guī)則的生長(zhǎng)臺(tái)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(zhǎng)機(jī)制(TPRE)并不是共晶Si生長(zhǎng)的主要機(jī)制，而是臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制導(dǎo)致Si的板片狀形貌。Si中的位錯(cuò)分解產(chǎn)生兩個(gè)不完位錯(cuò)，并且位錯(cuò)中間夾著一定寬度的層錯(cuò)便可以成為Si生長(zhǎng)有效的臺(tái)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(tuán)，共晶團(tuán)中Si相與Al相顯示出更為緊密的耦合生長(zhǎng)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(zhǎng)末端。而另一套則為微孿晶，或堆垛層錯(cuò)。Si枝晶的結(jié)合處可以明顯觀察到堆垛層錯(cuò)的存在，并且與Si分枝的方向垂直。即共晶Si中高密度層錯(cuò)決定了Si的高密度分枝，Si分枝則以另一套厚孿晶TPRE機(jī)制繼續(xù)長(zhǎng)大。
　　 對(duì)纖維狀共晶Si進(jìn)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(cuò)，還彌散分布著許多黑色小顆粒，尺寸在10到20nm之間。對(duì)納米顆粒進(jìn)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(tuán)。
　　 通過對(duì)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(zhǎng)機(jī)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(tuán)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(tuán)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