流變壓鑄過共晶鋁硅合金微觀組織和力學(xué)行為研究.pdf

1、鋁合金具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，鋁在提煉及加工過程中較易實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，鋁制品具有很高的質(zhì)量回收率，因此鋁在航空、航天、汽車、計(jì)算機(jī)、電子通訊和家電行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，是使用率最高的輕金屬。Al-Si系合金是鋁合金中最重要的一類合金之一，隨著Si含量增加，合金力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性等都會(huì)提高。因此，過共晶Al-Si合金，尤其是高硅鋁合金，是發(fā)展高強(qiáng)耐磨耐高溫鋁合金的方向。但是，Si含量的提高導(dǎo)

2、致合金析出粗大的初生硅，嚴(yán)重割裂基體并顯著降低力學(xué)性能，極大地阻礙了該系列合金的應(yīng)用推廣。因此，開發(fā)一種能夠有效細(xì)化初生硅尺寸、改善合金性能的工藝方法是很有必要的。
　　高壓鑄造是一種能夠細(xì)化晶粒、實(shí)現(xiàn)近凈成形的先進(jìn)成型技術(shù)。半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)可以看成是流變加工和高壓鑄造的結(jié)合，它同時(shí)具有流變加工和高壓鑄造諸如鑄件組織優(yōu)良、生產(chǎn)效率高、能耗低、近凈成形、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)金屬成形最具發(fā)展前途的技術(shù)之一。但是現(xiàn)有的流變

3、壓鑄研究集中在低Si含量的共晶、亞共晶Al-Si合金上，關(guān)于過共晶Al-Si合金的研究基本處于空白。過共晶Al-Si合金，尤其是高硅鋁合金的流變壓鑄成形研究，有望實(shí)現(xiàn)初生硅細(xì)化的目標(biāo)，同時(shí)克服常規(guī)液態(tài)鑄造下的缺點(diǎn)，獲得優(yōu)良的微觀組織和力學(xué)性能，并為過共晶Al-Si合金半固態(tài)流變成形技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)。
　　本文以Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金為研究對(duì)象，采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯

4、微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)和差式掃描量熱儀(DSC)等分析手段，系統(tǒng)研究了機(jī)械旋轉(zhuǎn)滾筒制漿工藝對(duì)流變漿料組織的影響；首次研究了RE(La、Ce)變質(zhì)和流變加工復(fù)合處理對(duì)流變漿料微觀組織的影響。采用優(yōu)化的最佳流變制漿工藝和復(fù)合制漿工藝對(duì) Al-15Si-4Cu-0.5Mg和 Al-20Si合金進(jìn)行流變壓鑄成形，研究其微觀組織和力學(xué)行為，探討其強(qiáng)化機(jī)理。對(duì)Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金進(jìn)行耐磨性

5、能測(cè)試，研究流變處理對(duì)合金耐磨性能的影響，探討其磨損失效機(jī)理。利用Flow-3D軟件對(duì)過共晶Al-Si合金熔體在機(jī)械旋轉(zhuǎn)滾筒中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析流變處理對(duì)它們的影響，探討流變加工對(duì)初生硅形核、生長(zhǎng)的作用機(jī)制。
　　通過研究不同滾筒轉(zhuǎn)速和澆注溫度下Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金添加RE(La，Ce)前后流變漿料的組織演變，探明了機(jī)械攪拌制漿和復(fù)合制漿的影響規(guī)律。機(jī)械滾筒能制備出初生硅細(xì)小均勻

6、、鋁樹枝晶破碎、合金相細(xì)小彌散的流變漿料。變質(zhì)和流變加工復(fù)合處理進(jìn)一步減小初生硅顆粒尺寸和體積率。添加稀土后Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金分別形成偏聚在枝晶間的長(zhǎng)針狀A(yù)l4(FeMnSiCuRE)和 Al2Si2RE相，流變處理可以顯著細(xì)化針狀稀土相并使其在基體彌散分布。Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金機(jī)械攪拌制漿和復(fù)合制漿的最佳工藝皆為660 ℃澆注、60 r/min轉(zhuǎn)速；Al-20Si合金機(jī)械攪拌制漿和

7、復(fù)合制漿的最佳工藝皆為750 ℃澆注、60 r/min轉(zhuǎn)速。
　　對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流變壓鑄Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金的微觀組織優(yōu)于常規(guī)高壓鑄造。流變壓鑄使初生硅形貌由復(fù)雜的板條狀、板塊狀、不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@細(xì)化的板塊狀，其平均顆粒尺寸、體積率都小于而圓整度大于高壓鑄造得到的樣品。流變壓鑄破碎了樹枝晶和骨骼狀α-AlFeMnSi相，細(xì)化了偏聚的Al2Cu共晶組織并使其在基體分布均勻。添加0.5 wt.% RE

8、(La，Ce)有效地變質(zhì)共晶硅。稀土變質(zhì)和流變加工復(fù)合處理進(jìn)一步細(xì)化初生硅的尺寸，降低其體積率，并提高圓整度；與此同時(shí)，還細(xì)化了偏聚在合金中的針狀A(yù)l4(FeMnSiCuRE)和Al2Si2RE相，使它們?cè)诨w均勻分布。闡明了半固態(tài)流變壓鑄、稀土變質(zhì)和流變加工復(fù)合壓鑄對(duì)合金力學(xué)性能的影響，Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金分別在660℃澆注、60 r/min攪拌和750℃澆注、60 r/min攪拌下獲得最佳的力學(xué)性能

9、；此外，也闡明了它們?cè)诹髯儔鸿T下的凝固特點(diǎn)。
　　研究了流變鑄造Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金的耐磨性能，揭示了合金的磨損機(jī)制。低摩擦速度、摩擦載荷下合金磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。流變鑄造合金中初生硅的細(xì)化、圓整化，Al2Cu共晶團(tuán)簇、α-AlFeMnSi相的細(xì)化、均勻化有效提高合金的局部抗力并減少對(duì)基體表面氧化層的破壞，有效提高合金的耐磨性能。高摩擦速度、摩擦載荷下，合金磨損機(jī)制以黏著磨損為主。液態(tài)鑄造合金中粗大的初生硅和

10、骨骼狀α-AlFeMnSi相容易破碎、脫落加劇基體磨損并促進(jìn)基體氧化腐蝕。流變鑄造合金中初生硅的細(xì)化、圓整化、α-AlFeMnSi相的細(xì)化、均勻化有效降低其破碎、剝落的傾向，同時(shí)更好的避免基體的加劇氧化腐蝕，進(jìn)而提高合金的耐磨性能。
　　利用Flow-3D軟件對(duì)過共晶Al-Si合金熔體在機(jī)械旋轉(zhuǎn)滾筒中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明機(jī)械滾筒的剪切力和自重帶動(dòng)合金熔體進(jìn)行圓周螺旋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)熔體內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流。機(jī)械滾

11、筒對(duì)熔體產(chǎn)生激冷作用，滾筒的高速轉(zhuǎn)動(dòng)使其溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)趨于均勻。機(jī)械滾筒內(nèi)初生相的形核生長(zhǎng)特點(diǎn)如下：激冷效應(yīng)使得熔體顯熱迅速得到釋放，熔體溫度迅速降低到理論凝固點(diǎn)以下獲得極大的過冷度，初生相獲得較大的形核率。后續(xù)熔體的流入和相變潛熱的釋放使得大部分晶胚重新熔入熔體，貼近滾筒內(nèi)壁的晶胚獲得持續(xù)過冷而成長(zhǎng)為晶核。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒促使?jié)L筒內(nèi)壁的晶核進(jìn)入熔體成為自由晶，同時(shí)使得熔體溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)趨于均勻，最終使得自由晶以等軸或球狀方式生長(zhǎng)。

12、>　　闡明了流變加工對(duì)初生硅形核、生長(zhǎng)的影響。機(jī)械旋轉(zhuǎn)滾筒的激冷效應(yīng)增大了熔體凝固的過冷度、提高了預(yù)存Si原子碰撞形成硅十面體和五角多面體的概率、提高了初生硅的相變驅(qū)動(dòng)力，使得四面體和八面體組合成五瓣星形初生硅的形核機(jī)制得以啟動(dòng)，導(dǎo)致Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金中出現(xiàn)五瓣星形初生硅。流變加工增大熔體過冷度從而提高八面體初生硅的形核率。機(jī)械滾筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起過共晶Al-Si合金熔體中溶質(zhì)的高速擴(kuò)散，促進(jìn)了八面體初生硅頂角、棱邊的生

13、長(zhǎng)，使其形成內(nèi)部有孔洞的普通八面體初生硅。機(jī)械滾筒攪拌引起的剪應(yīng)力促使八面體初生硅凝固生長(zhǎng)的過程中頂角、棱邊附近靠近固液前沿的晶內(nèi)區(qū)域更容易出現(xiàn)位錯(cuò)團(tuán)簇。機(jī)械滾筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)使熔體內(nèi)的初生硅顆粒受到強(qiáng)烈的剪切力，同時(shí)初生硅顆粒間碰撞加劇，容易造成八面體初生硅在頂角、棱邊附近的{100}晶面形成裂紋并沿著{110}晶面解理，導(dǎo)致初生硅顆粒的破碎，達(dá)到細(xì)化初生硅的目的。
　　闡明了稀土變質(zhì)和流變加工復(fù)合處理對(duì)初生硅生長(zhǎng)的影響。機(jī)械滾筒引起

14、的激冷效應(yīng)可以有效提高初生硅顆粒的形核率，其高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起熔體的強(qiáng)對(duì)流促使更多的稀土元素被吸附到初生硅<112>方向的生長(zhǎng)前沿，提高“雜質(zhì)誘發(fā)孿晶”效率；另一方面，在溫度均勻的環(huán)境下，均勻分布的稀土元素以稀土化合物的形式包圍、甚至緊貼著初生硅析出，進(jìn)一步阻礙其生長(zhǎng)，起到細(xì)化作用。
　　將優(yōu)化的Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金流變制漿工藝成功用于車用空調(diào)壓縮缸體的生產(chǎn)，制備的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良、可熱處理，其耐壓性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓鑄造，表