超高硅鋁合金中硅相的細化與界面性質(zhì)研究.pdf

1、過共晶Al-Si合金由于具有高的比強度和良好的鑄造性能，得到了廣泛的應(yīng)用。制約過共晶Al-Si合金應(yīng)用的關(guān)鍵是初晶Si的尺寸和形貌。對于含Si量大于50wt.％的Al-Si合金，初晶Si異常粗大，導(dǎo)致難以應(yīng)用。超高硅鋁合金在電子封裝等領(lǐng)域具有特殊的用途；并且具有高的硬度和良好的耐磨性等優(yōu)良性能，因而具有潛在的應(yīng)用價值。因此，開展超高硅鋁合金的晶粒細化研究具有現(xiàn)實意義。在細化機理方面，現(xiàn)有文獻局限于晶格錯配度理論，缺乏從原子層次上研究異質(zhì)

2、形核界面的結(jié)合情況，而這對于進一步揭示細化機理有理論意義。 本文利用高倍視頻金相顯微鏡（HSVM）、電子探針顯微分析儀（EPMA）、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、差式掃描量熱儀（DSC）、高溫熔體X射線衍射儀等測試手段研究了采用Si-20P中間合金細化超高硅鋁合金的規(guī)律；采用高性能計算軟件Materials Studio，用第一性原理研究了超高硅鋁合金細化過程中涉及到的幾種物相：TiC、AlP、Si和Al，研究了這

3、4種物相的體性質(zhì)、表面性質(zhì)和它們之間的界面性質(zhì)，研究了界面附近原子間的結(jié)合情況?？紤]到吸附行為在形核初期的重要性，還研究了Si原子在AlP表面的吸附問題。主要研究工作和結(jié)果如下： 發(fā)現(xiàn)采用新型Si-20P中間合金可以有效細化含Si量在30-70wt.％范圍的鋁合金，使初晶Si尺寸由2-6mm細化至30-50μm。在Si含量達到50wt.％時，所需要的臨界細化溫度和臨界加P量都存在突變現(xiàn)象，Si含量小于50wt.％時，細化所需要的

4、最小過熱度△Tmin小于100K（△Tmin=Tmin-TL，Tmin為臨界細化溫度，TL為液相線溫度）；而當(dāng)Si含量大于50wt.％時，細化所需要的最小過熱度△Tmin基本上為恒定值260K。利用高溫熔體X射線衍射儀研究了Al-50Si合金熔體微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的變化，發(fā)現(xiàn)上述突變現(xiàn)象與其熔體微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的演化有關(guān)。通過對熔體的相關(guān)半徑、團簇平均原子個數(shù)和配位數(shù)等的比較，發(fā)現(xiàn)在低過熱熔體中，團簇的尺寸明顯增加，而配位數(shù)增加幅度較小。即在

5、較低的過熱溫度下，熔體中存在中程有序結(jié)構(gòu)特征，因而不能達到良好的細化效果。在結(jié)構(gòu)因子圖中，當(dāng)Al和Si的特征峰均不明顯時，方可達到良好的細化效果。 提出了細化超高硅鋁合金的兩種新方法，可以有效細化含Si量高達70wt.％的鋁合金。一種是采用Si-20P中間合金細化，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出了臨界細化溫度和臨界加P量的經(jīng)驗公式；第二種是運用TiC/AlP復(fù)合粒子形核的原理，采用Si-20P中間合金和適當(dāng)配比的Al-TiO2-C粉末壓塊體

6、來細化，這樣不僅可以提高細化效果，而且較前一種方法降低所需熔體溫度100K左右。在細化后的初晶Si內(nèi)部觀察到TiC/AlP復(fù)合粒子，分析了Al-TiO2-C混合粉在熔體中的反應(yīng)過程以及原位生成的TiC粒子與AlP的相互作用。 觀察并分析了Si-20P中間合金在鋁熔體中的反應(yīng)、擴散、長大和溶解過程。（1）該中間合金中的SiP與鋁熔體發(fā)生反應(yīng)生成顆粒狀的AlP聚集體，隨保溫時間延長顆粒狀A(yù)lP發(fā)生擴散并長大為條狀；（2）熔體經(jīng)歷高溫

7、以后，條狀A(yù)lP發(fā)生溶解，凝固后析出成短針狀。AlP在Al-Si合金中可能的存在形態(tài)有：顆粒狀、短針狀、長條狀和粗大的板片狀，不同形態(tài)的AlP對初晶Si細化的促進作用亦不相同。細小彌散分布的AlP對初晶Si的細化最為有利，而熔體中存在粗大或板片狀的AlP則使生成的初晶Si非常粗大。 由于AlP很容易在拋光或放置過程中與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，故在文獻中?？吹降某蹙i內(nèi)的AlP相，實際上是氧化后的含P相。本文采用特殊方法制備了未氧化的試

8、樣，在背散射照片中觀察到未氧化的AlP相，它與初晶Si的顏色基本一致。用差熱分析儀對細化前后的Al-50Si合金進行分析發(fā)現(xiàn)，加P細化后的合金初晶Si的析出溫度明顯升高，形核過冷度顯著降低。通過調(diào)整凝固條件和加P量，可以改變初晶Si的生長形貌，使超高硅鋁合金中的初晶Si也可存在類似共晶Si變質(zhì)后的珊瑚狀形態(tài)。 研究了AlP（100）、（110）和（111）面原子層數(shù)從2層到6層變化時表面能的變化，AlP的（100）、（110）和

9、（111）面分別達到3、4、5層以后，表面能即不再明顯變化，此時已經(jīng)顯示出體性質(zhì)。經(jīng)計算得出：（100）表面能最高，（111）表面能次之，（110）表面能最小。6層AlP（111）面在弛豫后，表面朝向真空層的一側(cè)電子密度顯著減少，P原子所在的位置電子密度有所減少，而Al原子所在的位置電子密度有所增加。AlP（111）面在弛豫后，費米能附近的DOS峰值顯著下降，經(jīng)過弛豫后表面穩(wěn)定性增加。表面弛豫不僅引起表面幾何結(jié)構(gòu)的變化，而且使表面層的電

10、子結(jié)構(gòu)與鍵合特性發(fā)生變化，弛豫后表面層原子的部分價電子轉(zhuǎn)移到了真空層，使表面層原子的電子態(tài)密度發(fā)生變化，而且還出現(xiàn)新的表面態(tài)。 研究發(fā)現(xiàn)，AlP不同表面上的電子態(tài)密度在費米能級處的峰值不相同，這反映了不同表面性質(zhì)的差異。對表面不同原子層局域電子態(tài)密度的分析發(fā)現(xiàn)，AlP表面性質(zhì)主要受第一層和第二層原子的影響。Al原子隨著表面深度的增加，費米能處的DOS峰值迅速下降。對AlP表面穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)，AlP（111）面的表面自由能依賴于

11、體系的化學(xué)成分，在一定范圍內(nèi)變動。當(dāng)Al的化學(xué)勢較低時，AlP以P終止更穩(wěn)定：而當(dāng)Al的化學(xué)勢較大時，AlP以Al終止更穩(wěn)定?？傮w上，在大部分區(qū)域以P終止更穩(wěn)定。 研究了AlP/Si界面結(jié)合能的大小，發(fā)現(xiàn)同一晶面結(jié)合時，P-Si比Al-Si的界面結(jié)合能大；鋸齒形結(jié)合界面能較大，同時界面間距較小，說明結(jié)合后更穩(wěn)定。由于AlP存在極性表面和非極性表面，這對AlP/Si的界面影響很大：經(jīng)過仔細比較DOS圖發(fā)現(xiàn)，費米面附近分兩類情況：一

12、類是費米面附近DOS數(shù)值很小，對應(yīng)非極性AlP表面和Si組合的界面類型；另一類則是在費米能級處的DOS數(shù)值較高，有的還存在小峰，屬于極性AlP表面和Si組合的類型。極性AlP表面與Si形成Al-Si結(jié)合界面時，費米面附近的DOS主要是Al原子的貢獻。對于Si-P界面類型，費米面附近的DOS主要來自P原子的貢獻。所有的AlP/Si界面都顯示了一定的離子性質(zhì)，即Si原子在Si-Al結(jié)合時將得到電子，而在Si-P結(jié)合時將失去電子。在各種界面結(jié)

13、合中，起主導(dǎo)作用的是Si-Al或Si-P共價鍵。當(dāng)Al或P原子不是直接位于Si原子的上方，而是位于Si原子之間時，界面間距較小，同時界面結(jié)合能也較大，說明這種界面更穩(wěn)定。經(jīng)過弛豫后，Si原子發(fā)生了一定的橫向移動，不再停留在原來Al或P原子的上方，而是傾向于停留在Al與P原子中間，從而形成鋸齒形的結(jié)合界面。 發(fā)現(xiàn)Si原子在AlP不同表面的吸附能均較大。Si-P結(jié)合方式有時以雙鍵結(jié)合，有時以三鍵結(jié)合，Si-Al結(jié)合則均是以單鍵結(jié)合。

14、Si與P成鍵時的吸附能比Si與Al原子成鍵時的吸附能大。在吸附過程中，Si原子受P原子的影響要比Al原子大。 同時研究了細化后合金中的其它界面結(jié)合情況。一是研究了兩種Si-Al界面的結(jié)合：[110]Si//[112]Al，[103]si//[110]Al，得出第二種界面結(jié)合能更高，界面間距更??；通過研究這兩種Si/Al界面的電荷密度分布和差分電荷密度分布，得出Al-Si之間呈現(xiàn)較弱的共價鍵，界面處的Al原子與Si原子成單鍵結(jié)構(gòu)；