一種高硅鋁合金粉末的制備與結(jié)構(gòu)研究

一種高硅鋁合金粉末的制備與結(jié)構(gòu)研究

采用高速冷杉技術(shù)制備的高硅鋁，可以顯著改進(jìn)鑄造中的初晶硅和鑄鐵金屬化合物，改善其形狀和分布特征，消除傳統(tǒng)制備的中大型初晶硅和針狀鐵粉材料對耐腐蝕性性能的不利影響。在快速凝固高硅鋁合金的制備方法中,快速凝固粉末冶金法是其最常用的方法之一,所制備粉末的形貌和尺寸分布特征直接影響粉末的固結(jié)成形。1速氣體霧化法設(shè)計合金為Al-17Si-6Fe-4.5Cu-0.5Mg,首先利用鑄錠冶金法制備母合金錠,然后利用超音速氣體霧化法制備合金粉末,霧化氣體選用氮?dú)?氣體壓力2MPa,霧化溫度900℃,整個制粉過程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行。利用振動篩法測量粉末顆粒粒度組成,粉末質(zhì)量為100g,振動篩網(wǎng)孔由38.5μm到125μm,振動時間為10min,振后稱量剩余在每個篩和底盤上的粉末。粉末形貌觀察在S-570掃描電鏡上進(jìn)行。2粉末的形狀特征和尺寸分布2.1霧化熔滴球化的條件圖1所示為氣體霧化Al-Si合金粉末典型的形狀及形貌特征掃描電鏡(SEM)照片,從中可以看出合金粉末主要由不規(guī)則液滴狀顆粒組成,少數(shù)顆粒呈球形或類球形特征(見圖1a)。粉末顆粒表面凹凸不平,并附帶有許多衛(wèi)星顆粒和毛刺特征。粉末顆粒的這種特征與其尺寸大小有很大關(guān)系,粉末顆粒尺寸越大,其形狀越不規(guī)則,表面凹凸不平度越顯著,毛刺比較粗大,而且存在許多空洞(見圖1b);隨著粉末尺寸的減小,其形狀變得相對規(guī)整,表面凹凸不平度減弱,毛刺變?yōu)槔w細(xì)針狀形態(tài),空洞變?yōu)榘伎硬⒅饾u消失(見圖1c);一些尺寸非常細(xì)小的粉末顆粒形狀呈近似球形,表面比較光滑,很少有衛(wèi)星顆粒和毛刺附著(見圖1d)。合金粉末不規(guī)則液滴形狀特征與霧化后合金熔滴球化時間和凝固時間的相對大小有關(guān),如果霧化熔滴球化時間比凝固時間短,在凝固前熔滴能夠進(jìn)行充分的球化作用,則凝固后形成的粉末顆粒形狀較為規(guī)則,表面比較光滑;否則若霧化熔滴球化時間比凝固時間短,則熔滴在凝固前不能進(jìn)行充分球化,因此凝固后則形成不規(guī)則液滴狀粉末顆粒。霧化熔滴的球化時間τsph可以用下述關(guān)系式表示:τsph=3π2μL4Vσ(12)4(d41?d42)(1)τsph=3π2μL4Vσ(12)4(d14-d24)(1)式中,d1為球化后熔滴直徑;d2為球化前熔滴最小直徑;μL為液態(tài)金屬粘度;σ為液態(tài)金屬表面張力;V為熔滴體積?？紤]到r1遠(yuǎn)大于r2(r1/r2≈10),可以忽略r2的值,V=4/3πr3113,因此式(1)可以簡化為:τsph=0.88μLσd1(2)τsph=0.88μLσd1(2)可以看出熔滴的球化時間主要取決于液態(tài)金屬粘度、表面張力及熔滴尺寸,對于特定尺寸熔滴來說其粘度越大、表面張力越小,越不利于球化的進(jìn)行;相反,較小的粘度和較大表面張力可以促進(jìn)熔滴球化的進(jìn)行。熔滴粘度和表面張力一定,小尺寸熔滴有利于球化的進(jìn)行,而大尺寸熔滴則阻礙球化的進(jìn)行。近似用純鋁金屬液粘度(0.0014Pa·s)和表面張力(0.52N/m)代替所研究合金液粘度和表面張力,可得知對于尺寸在5～150μm熔滴來說,其球化時間為(1.2～36)×10-8s,而超音速霧化快速凝固鋁合金冷卻速度一般小于106℃/s,保守估算熔滴過熱度為500℃,則其凝固時間不低于10-5s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于球化時間,可見從理論上利用超音速氣體霧化所制備合金粉末應(yīng)該全部為球形顆粒。但是試驗(yàn)結(jié)果表明球形顆粒所占有的分?jǐn)?shù)極少,只有一些尺寸較小的粉末才呈相對規(guī)整的類球形顆粒,而大部分為不規(guī)則液滴狀。造成霧化粉末的這種不規(guī)則形狀原因主要有3點(diǎn):首先,合金中含有大量的Fe元素和Cu元素,引起合金液粘度的增加和表面張力的下降;其次,合金中Al,Si,Mg及Cu等元素比較容易氧化,在霧化合金熔滴表面形成一層氧化膜,阻礙熔滴球化的進(jìn)行;第三,熔滴在飛行過程中受霧化氣體的沖擊以及熔滴之間的相互碰撞也對其球化的進(jìn)行有不利影響。一些小尺寸熔滴具有較大的表面張力,相對來說比較容易球化,因此其形狀也就比較規(guī)整。顆粒表面凹凸不平主要是受凝固收縮的影響,尺寸比較大的霧化熔滴,體積較大,凝固收縮比較嚴(yán)重,其結(jié)果使霧化熔滴凝固后在表面遺留下明顯的凹凸不平凝固收縮痕跡。而一些尺寸較小霧化熔滴,體積較小,凝固收縮也較小,因此表面比較光滑,而且形狀相對規(guī)整,近似球形。表面衛(wèi)星顆粒是在霧化過程中形成的,霧化時一些尺寸非常小的霧化熔滴先凝固形成小顆粒,這些小顆粒在飛行過程中與未完全凝固的一些尺寸較大霧化熔滴相互碰撞而發(fā)生焊合,這些小顆粒在大熔滴凝固后便附著在其表面形成衛(wèi)星顆粒。顆粒表面毛刺的形成與霧化熔滴受到來自霧化氣體的沖擊力、飛行過程中的離心力以及周圍環(huán)境氣體的摩擦力等因素有關(guān)。霧化熔滴在這些力作用下,表面局部熔體向四周甩出形成流線,由于其徑向尺度很小,凝固很快,來不及球化,因此凝固后則以保持其流線特征的細(xì)小毛刺形式存在下來。小尺寸霧化熔滴受力較小,形不成流線,因此無毛刺形成。2.2累積質(zhì)量分布近似超音速氣體霧化合金粉末尺寸分布如圖2所示,圖中表示出合金粉末兩種尺寸分布特征,即粉末顆粒實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨顆粒粒度的變化關(guān)系及累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨顆粒粒度的變化關(guān)系。從中可以看出粉末顆粒尺寸分布相對比較集中,大部分集中在40～100μm之間,其中尺寸為72μm粉末占有最大質(zhì)量分?jǐn)?shù),約為29%,尺寸大于100μm和小于40μm粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足5%。若忽略這些大尺寸及小尺寸粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù),其尺寸近似呈正態(tài)分布特征。這一點(diǎn)也可以從粉末累積質(zhì)量分布曲線上反映出來,其特點(diǎn)為在忽略少量大尺寸及小尺寸粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù),粉末累積質(zhì)量分布近似呈線性特征。在此曲線上可以用累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%所對應(yīng)的粉末尺寸表示粉末的平均尺寸,其值約為67μm,在誤差范圍內(nèi)近似與實(shí)際質(zhì)量分布曲線上峰值所對應(yīng)的粉末尺寸相當(dāng)?？紤]到機(jī)械震動篩分粉末時,由于小粉末比較容易團(tuán)聚,不易被篩下,因此可以推測粉末實(shí)際分布曲線應(yīng)往左移,實(shí)際平均尺寸應(yīng)小于67μm。3粉末尺寸大小、形狀大小有雜(1)利用超音速氣體霧化法制備的高硅鋁合金粉末其形貌表現(xiàn)出不規(guī)則液滴狀特征,少數(shù)顆粒呈球形或類球形。粉末顆粒的這種特征與其尺寸大小有很大關(guān)系,粉末顆粒尺寸越大,其形狀越不規(guī)則,表面凹凸不平度越顯著,毛刺比較粗大,而且存在許多空洞;隨著粉末尺寸的減小,其形狀變得相對規(guī)整,表面凹凸不平度減弱,毛刺為纖細(xì)針狀形態(tài),空洞變?yōu)榘伎硬⒅饾u消失;一些尺寸非常細(xì)小的粉末