快速凝固鋁硅合金的制備_組織特征及斷裂行為_謝壯德

1、*謝壯德,博士生。收修改稿日期:1999-11-28文獻(xiàn)綜述快速凝固鋁硅合金的制備、組織特征及斷裂行為謝壯德* 沈 軍 董寅生 周彼德 李慶春(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001摘要: 快速凝固Al-Si 合金是一種高性能結(jié)構(gòu)材料,目前主要通過快速凝固/粉末冶金(RS/PM 和噴射沉積(SF兩種方法進(jìn)行制備;此類合金具有超細(xì)化顯微組織、成分均勻分布、非平衡亞穩(wěn)相和過飽和固溶體及高密度位錯(cuò)等組織特征;其斷裂方式主要呈脆性斷裂。本文主要對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)述。關(guān)鍵詞: 快速凝固;鋁硅合金;合金制備;組織;斷裂1 前言Al-Si 合金是最常用的鑄造鋁合金,它具有低密度和低的熱膨脹

2、系數(shù)以及良好的耐磨性等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)隨Si 含量的提高表現(xiàn)尤為突出。但Si 含量過高,尤其是超過共晶點(diǎn)時(shí)會(huì)形成粗大針狀或片狀多角形Si 相,嚴(yán)重?fù)p害合金的力學(xué)性能。盡管采用變質(zhì)處理、合金化以及精密鑄造等工藝對(duì)改善合金的性能有一定的作用,但不能從根本上改變其組織粗大的缺點(diǎn),因此其應(yīng)用受到一定程度的限制。利用快速凝固技術(shù)制備Al-Si 合金,其冷卻速度達(dá)102106 /s,可顯著改善合金的顯微組織、減少偏析、提高合金固溶度等,使合金性能得以大幅度提高,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。2 快速凝固鋁硅合金的制備快速凝固Al-Si 合金的制備方法主要有快速凝固粉末冶金法(RS/PM和噴射沉積法(SF兩種,RS/PM

3、一般工藝流程為粉末制備 粉末預(yù)壓 真空除氣 粉末固結(jié) 熱處理 機(jī)加工 成品,SF 一般工藝流程為沉積制壞 坯料致密 熱處理 機(jī)加工 成品。2.1 快速凝固粉末冶金法(RS/PM這種方法的關(guān)鍵工序是粉末的制備和粉末固結(jié)成形?？焖倌藺l-Si 合金粉末的制備方法主要有水霧化法、普通氣體霧化法、超音速氣體霧化法、離心霧化法以及由這些方法組合而成的多級(jí)霧化法等。表1比較了采用不同方法制備Al-Si 合金粉末尺寸、形狀及冷卻速度。生產(chǎn)中最常用的方法主要是超音速氣體霧化法,它是利用一種特殊的噴嘴產(chǎn)生高速高頻脈沖氣流沖擊金屬液流,使金屬液流粉碎成細(xì)小均勻液滴,經(jīng)強(qiáng)制對(duì)流氣體冷卻,而凝固成細(xì)小粉末。其特點(diǎn)是

4、:冷卻速度高、粉末顆粒細(xì)小均勻、形狀相對(duì)規(guī)則、呈近似球形、粉末收得率高。熱擠壓和熱鍛是最常用的粉末固結(jié)技術(shù),它的最基本要求就是在粉末固結(jié)過程中盡可能保證其組織不發(fā)生對(duì)性能不利的轉(zhuǎn)111粉末冶金技術(shù) 2000年第18卷 第2期變。例如,要保證合金中的Si相不至于過分長(zhǎng)大,亞穩(wěn)相不發(fā)生有害的穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變。因此在粉末固結(jié)成形加工時(shí),要把快速凝固產(chǎn)品對(duì)成形加工的特殊要求和粉末冶金成形加工的一般要求結(jié)合起來(lái),既要求粉末間牢固結(jié)合,又要求不損害其獨(dú)特的組織特征。一般在較低的溫度、大的壓力和擠壓比下,既能破碎顆粒間界面,保證粉末間牢固的結(jié)合,又不引起組織發(fā)生不利變化。即使需要高溫固結(jié),也要盡可能縮短加熱時(shí)間。

5、表1 采用不同方法制備Al-Si合金粉末比較粉末制備方法粉末平均尺寸/ m粉末形狀冷卻速度/ s-1水霧化法>100不規(guī)則液滴狀>104普通氣體霧化法<100不規(guī)則形+類球形+球形102104超音速氣體霧化法約20類球形+球形103106離心霧化法>100不規(guī)則形104106多級(jí)霧化法<20球形+類球形+不規(guī)則形1051062.2 噴射沉積法(SF噴射沉積是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它是把霧化后的金屬熔滴直接噴射到金屬基底,在基底沉積形成半凝固沉積層,依靠金屬基底的熱傳導(dǎo)使沉積層不斷地凝固形成較致密的預(yù)制坯料,預(yù)制坯料經(jīng)熱擠壓或熱鍛等致密化工藝,則形成高

6、致密度的金屬實(shí)體。噴射沉積除具有快速凝固的一般特征外,還具有把霧化制粉過程與粉末固結(jié)工藝結(jié)合起來(lái),簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本,而且解決了RS/PM法中粉末表面氧化的問題,減輕了原始顆粒界面(PPB對(duì)合金性能的不利影響。但是噴射沉積法相對(duì)于快速凝固粉末冶金法,合金冷卻速度較低,組織較為粗大,因此強(qiáng)度相對(duì)較低。此外,用于制備快速凝固Al-Si合金的方法還有平面流鑄造法、熔體旋淬法、等離子表面噴涂沉積法等。3 快速凝固鋁硅合金組織特征快速凝固Al-Si合金組織主要取決于合金的成分、凝固速度、熱擠壓及后續(xù)熱處理等因素。一般認(rèn)為合金具有超細(xì)化顯微組織、形成亞穩(wěn)相和過飽和固溶體以及高密度位錯(cuò)等組織特征?？?/p>

7、速凝固二元Al-Si合金的組織較為簡(jiǎn)單、主要由 -Al相或( -Al+Si相組成,基體 -Al一般為細(xì)小等軸晶粒或微胞結(jié)構(gòu),而Si相呈微細(xì)顆粒(初晶或纖維狀(共晶均勻分布于基體110。文獻(xiàn)1、2對(duì)Al-(7.123.7%Si的水霧化快速凝固粉末及擠壓態(tài)合金研究發(fā)現(xiàn),粉末中Si含量小于16%時(shí),組織中不形成初晶Si 相,但此時(shí)引起很大的晶格畸變,說明Si過飽和固溶于基體;Si含量在16%19%時(shí)也很難辨認(rèn)初晶Si相;只有Si含量超過19%時(shí),才可觀察到尺寸約為1 m的初晶Si相,隨Si含量的增加,Si相體積分?jǐn)?shù)也增加。粉末經(jīng)熱擠壓有Si相析出并有長(zhǎng)大趨勢(shì),其尺寸取決于擠壓溫度2。文獻(xiàn)6也對(duì)Al-

8、(1444%Si霧化粉末組織觀察發(fā)現(xiàn),Si含量為14%時(shí),組織中無(wú)初晶Si形成;Si含量為28.87%時(shí),形成只有幾微米的初晶Si。文獻(xiàn)8研究了熔體溫度對(duì)快速凝固Al-Si過共晶合金組織和相的影響認(rèn)為,一定范圍內(nèi)提高熔體溫度有利于合金組織的均勻和細(xì)化、均勻共晶組織的形成及共晶Si各向同性生長(zhǎng)。在二元快速凝固Al-Si合金中加第三組元會(huì)引起合金組織的一些變化,通常加入112粉末冶金技術(shù) 2000年第18卷 第2期的第三組元主要有C u、Mg、Fe、Ni、Co、Sr、P 等3、1115。文獻(xiàn)12對(duì)Al-12%Si中添加Cu、Mg、Ni、Co、Sr等離心霧化合金組織研究發(fā)現(xiàn),添加Cu、Mg和Ni后組

9、織中除 -Al和Si相外,分別形成Al2Cu( 、Mg2Si和Al3Ni等金屬間化合物;添加C o、Sr不會(huì)形成金屬間化合物,組織仍由 -Al和Si相組成,但添加Sr會(huì)使Si相細(xì)化和球化。文獻(xiàn)14、15在快速凝固過共晶Al-Si合金中加P發(fā)現(xiàn):P具有細(xì)化和球化初晶Si的作用。文獻(xiàn)11分別用霧化和噴射沉積制備Al-20%Si-5Fe 合金,相比之下用霧化制備的組織更為細(xì)小。兩種方法制備的合金組織中都形成亞穩(wěn) (Al、Si、Fe相。經(jīng)擠壓后部分 (Al、Si、Fe相會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的 (Al、Si、Fe相。文獻(xiàn)13對(duì)噴射沉積Al-20%Si-5Fe合金在沉積態(tài)、擠壓態(tài)及高溫?zé)岜┞稐l件下的組織進(jìn)行了系統(tǒng)

10、的研究。結(jié)果表明,沉積態(tài)合金中形成一種獨(dú)具特色的圓形集群組織特征,集群內(nèi)部組織較外部更為細(xì)小,這種集群組織的形成可能與噴射沉積過程中先凝固的熔滴有關(guān)。沉積態(tài)組織由 -Al基體、Si相和亞穩(wěn)片狀 -Al4FeSi相組成, -Al基體中并無(wú)過飽和固溶Si原子,這可能與噴射沉積冷卻速度相對(duì)較低及大范圍 -Al4FeSi相的形成有關(guān)。沉積坯經(jīng)熱擠壓后集群組織特征消失,片狀 -Al4FeSi被破碎成短棒狀,而且部分 -Al4FeSi相轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的 -Al5FeSi相。擠壓態(tài)合金高溫?zé)岜┞稌?huì)導(dǎo)致再結(jié)晶組織的形成,再結(jié)晶組織受Si相和金屬間化合物的阻礙,從而抑制其長(zhǎng)大。但高溫長(zhǎng)期暴露會(huì)加速 -Al4FeSi

11、相向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變及相的粗化傾向。四元快速凝固Al-Si合金研究較多的有Al-Si-Cu-Mg1625、Al-Si-Fe-Ni25、26、Al-Si-Fe-Cu27、28、Al-Si-Ni-Mn29、Al-Si-Ni-Ce30等。文獻(xiàn)16、17對(duì)噴射沉積Al-18%Si-4.5%Cu-0.6%Mg 合金研究發(fā)現(xiàn),其組織由體積分?jǐn)?shù)為19.7%細(xì)小Si顆粒、平均直徑為12.5 m的等軸晶以及少量金屬間化合物組成,金屬間化合物為Al2Cu和Al2CuMg。沉積坯經(jīng)熱擠壓,Si顆粒變得更為細(xì)小,而且組織不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。但擠壓態(tài)組織在高溫加熱時(shí)Si相和等軸晶都發(fā)生粗化。關(guān)于Al-Si-Cu-Mg合金的這些

12、組織特征,文獻(xiàn)20、21對(duì)Al-18.6%Si -4.34%Cu-0.6%Mg和Al-20%Si-1.3% Cu-1%Mg快速凝固粉末冶金合金研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的情況。而文獻(xiàn)24對(duì)Al-20% Si-3%Cu-1%Mg霧化顆粒組織研究卻發(fā)現(xiàn),金屬間化合物為Al2Cu和Mg2Si。同時(shí)文獻(xiàn)23對(duì)含Cu、Mg的Al-30%Si合金水霧化粉末組織研究認(rèn)為形成了Al4CuMg和Al2CuMg的金屬間化合物。因此Al-Si-C u -Mg快速凝固合金的組織除基體和Si相外,依不同的成分和加工方法會(huì)形成不同組成的金屬間化合物。文獻(xiàn)24對(duì)Al-20%Si -5%Fe-2%Ni霧化粉末進(jìn)行研究表明,其組織中會(huì)

13、形成棒狀FeSiAl5、FeSiAl3以及不規(guī)則粒狀FeNiAl9金屬間化合物。文獻(xiàn)28在對(duì)含微量Zr的Al-12%Si-7%Ni-5%Mn 的快速凝固合金組織研究認(rèn)為,其組織由 -Al(Ni、MnSi、Al6(Mn、Ni、Zr3Si2、 -Al (Mn、NiSi、Al3Ni、Si相及基體相組成,經(jīng)熱擠壓組織變得更為細(xì)小,其顆粒體積分?jǐn)?shù)占50%左右。文獻(xiàn)30研究了Al-Si-Ni-Ce 粉末冶金合金的組織,結(jié)果表明,添加Ni、Ce 后可提高Si在Al基體中的固溶度,形成含Si、Ni、Ce的過飽和固溶體,同時(shí)有細(xì)小圓形Al3Ni和Al3Ce金屬間化合物形成。目前對(duì)五元及五元以上快速凝固Al-Si

14、 合金的研究基本上是以Al-Si-Cu-Mg為基礎(chǔ)通過添加其它組元來(lái)進(jìn)行的。典型的合金種類主要有Al-Si-C u-Mg-Fe和Al-Si-Cu-Mg-Ni等24、3034。研究表明,Al-Si-Cu-Mg快速凝固合金中添加Fe、Ni可以形成復(fù)雜的金屬間化合物,能夠檢定的金屬間化合物主要有Cu2FeAl7、CuFeAl6、113快速凝固鋁硅合金的制備、組織特征及斷裂行為Fe Mg3Si6Al8、 (Al、Si、Fe、 (Al、Si、Fe以及Al3(Ni、Cu2、Al7Cu4Ni等。這些金屬間化合物顯著的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性特別好,無(wú)論是在高溫?cái)D壓,還是高溫加熱既不發(fā)生溶解,也不粗化,而且能夠阻礙Si

15、相和基體晶粒的長(zhǎng)大,使合金在常溫和高溫都能保持細(xì)小的組織特征。此外,目前還對(duì)快速凝固Al-Si合金基復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛的研究3538。所添加的增強(qiáng)相主要有SiC、Al2O3、SiO2、鋯砂顆粒、短纖維及晶須等。研究表明,若增強(qiáng)相加入量合適、采用生產(chǎn)工藝合理,則可獲得增強(qiáng)相分布均勻、與基體界面接合良好的組織,否則將造成增強(qiáng)相分布不均、與基體界面結(jié)合不良、形成空洞及開裂等組織缺陷。4 快速凝固鋁硅合金的斷裂行為快速凝固Al-Si合金的斷裂從宏觀看呈脆性斷裂,但從微觀上看卻具有韌窩型的韌性斷裂特征,與顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料有相似的斷裂行為。文獻(xiàn)11對(duì)噴射沉積Al-20%Si-5% Fe和2024-2

16、0%Si-5%Fe合金的斷裂行為進(jìn)行的研究認(rèn)為,擠壓態(tài)裂紋主要來(lái)源于大塊初晶Si顆粒的脆性斷裂,也有部分來(lái)源于Si相與基體結(jié)合處,斷裂以穿晶方式發(fā)生的,其斷口凹凸不平,并有大量由小解離平臺(tái)組成的韌窩和杯錐狀突起。2024-20%Si-5% Fe經(jīng)T6處理(470 ,1.5h固溶處理,水淬,自然時(shí)效4天后,120 ,24h人工時(shí)效后斷裂過程基本與擠壓態(tài)相同,但裂紋主要起源于Si相與基體結(jié)合處,因而不是完全的脆性裂紋。文獻(xiàn)17、20分別對(duì)噴射沉積Al-17%Si-4.5%Cu-0.6%Mg合金和粉末冶金Al-18.8%Si-4.34%Cu-0.66%Mg合金的斷裂行為進(jìn)行研究,結(jié)論與文獻(xiàn)11相同,

17、即認(rèn)為快速凝固Al-Si合金的斷裂屬韌窩型穿晶斷裂。文獻(xiàn)39研究了快速凝固粉末冶金Al -20%Si-3%Cu-1%Mg合金的室溫和高溫?cái)嗔研袨?結(jié)果表明:室溫時(shí)擠壓態(tài)合金裂紋主要來(lái)源于三個(gè)方面:初晶Si開裂、原始顆粒界面開裂以及Si相與基體界面開裂。斷口有小解離面和韌窩特征,表明斷裂是一種韌性和脆性共存的混合斷裂方式。T6處理后由于加強(qiáng)了原始顆粒界面的結(jié)合,因此裂紋主要來(lái)源于初晶Si與基體界面的開裂;高溫時(shí)斷裂主要由初晶Si與基體分離以及原始顆粒界面分離造成的,斷口具有較大韌窩特征,表明此時(shí)合金的斷裂呈韌性斷裂特征。文獻(xiàn)40、41研究了噴射沉積Al-14% Si-3%Fe合金斷裂情況表明:裂

18、紋首先在尺寸較大的Si顆粒上萌生,隨著塑性變形的繼續(xù),更多的Si顆粒開裂,而原來(lái)的裂紋變寬,最后Si顆粒引起的裂紋在應(yīng)力作用下沿晶界通過塑性剪切而連接起來(lái),導(dǎo)致合金的整體斷裂。其斷裂方式是沿晶斷裂,這一點(diǎn)與文獻(xiàn)11、17、20報(bào)道有矛盾之處,有待進(jìn)一步研究。同時(shí)該文獻(xiàn)給出了合金發(fā)生斷裂時(shí)的臨界應(yīng)力滿足如下關(guān)系式:r=239/ 1/6式中 r為臨界斷裂應(yīng)力; 為合金的應(yīng)變。表明臨界斷裂應(yīng)力與合金的應(yīng)變成反比,合金在拉伸過程中,隨拉應(yīng)力的增大,應(yīng)變也增大,從而導(dǎo)致臨界斷裂應(yīng)力下降。當(dāng)臨界斷裂應(yīng)力下降到低于拉伸應(yīng)力時(shí),合金則發(fā)生斷裂。5 結(jié)束語(yǔ)利用快速凝固技術(shù)制備Al-Si合金克服了由傳統(tǒng)鑄造法生產(chǎn)

19、Al-Si合金對(duì)Si含量的限制,不但能保持高的Si含量,而且使獲得組織(包括Si相、金屬間化合物和基體相非常細(xì)小、成分更為均勻、基體中Si含量大幅度提高,從而使合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能,并具有廣闊的應(yīng)用前景。114粉末冶金技術(shù) 2000年第18卷 第2期參考文獻(xiàn)1 I Yamauchi,I Ohnaka,S Kawa moto et al.Production of Rapid-ly Solidified Al-Si Alloy Powder by the Rotati ng-Water-Atomi zati on Process and Its Structure.Trans.Ja

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