強(qiáng)流脈沖電子束處理對過共晶鋁硅合金表面微觀組織及性能影響研究.pdf

1、過共晶鋁硅合金作為一種重要的鑄造合金，由于具有熱膨脹系數(shù)低、密度小、比強(qiáng)度高、耐磨和耐蝕性好等優(yōu)良特性在汽車制造及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在傳統(tǒng)鑄造條件下，過共晶鋁硅合金組織中普遍存在的粗大初生硅相嚴(yán)重地割裂基體，惡化了合金的性能，從而限制了其工業(yè)應(yīng)用范圍。強(qiáng)流脈沖電子束是近年來得到迅速發(fā)展的一種新型表面改性技術(shù)，通過電子束與材料表面相互作用所導(dǎo)致的超快速加熱和冷卻過程使材料表面發(fā)生遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡凝固，達(dá)到常規(guī)表面處理方法所

2、無法實(shí)現(xiàn)的特殊改性效果。
　　本文首次采用強(qiáng)流脈沖電子束對鑄造過共晶鋁硅合金(Al-15Si、Al-17.5Si和Al-20Si)進(jìn)行表面改性處理，以細(xì)化粗大塊狀初生硅和針狀共晶硅為主要目的，深入研究脈沖電子束作用下合金表面微觀組織的變化，以及不同脈沖次數(shù)處理對合金表面硬度和耐磨性的影響。
　　首先通過SEM、EPMA、金相和XRD等分析方法對強(qiáng)流脈沖電子束處理后過共晶鋁硅合金表面形貌及微觀組織進(jìn)行了研究，得到了以下主要結(jié)果

3、:1）合金表面粗大初生硅形成典型的“暈圈”結(jié)構(gòu)，隨著脈沖次數(shù)增加“暈圈”結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)得更加明顯，初生硅與鋁基體之間更好地相互熔合;2)Al-17.5Si合金基體表面分布著許多圓形純Al顆粒，隨著脈沖次數(shù)增加純Al顆粒的尺寸逐漸減小且大小均勻。5次脈沖處理使Al-15Si合金基體表面α(Al)枝晶得到明顯細(xì)化;3）Al-15Si合金經(jīng)電子束處理后Al、Si衍射峰寬化并向高角度偏移，Al(111)和Si(111)晶面的d(111)值減小，Al晶

4、格常數(shù)也減小，晶格發(fā)生畸變。25次脈沖處理使合金表層呈現(xiàn)出Al(200)晶面的擇優(yōu)取向;4）電子束處理使合金表面形成幾微米厚度的重熔層，組織細(xì)化且成分均勻，重熔層下方為熱影響區(qū)和未受影響的基體。隨著脈沖次數(shù)從5次增加至25次，Al-15Si合金表面重熔層的厚度從4.4μm增加到5.6μm，而在25次脈沖處理后Al-20Si合金表面重熔層厚度約為4μm。
　　采用TEM和拉曼光譜分析證實(shí)了強(qiáng)流脈沖電子束處理使過共晶鋁硅合金表層形成亞

5、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)果概括如下:1）合金表層形成兩種類型的納米硅晶粒，一種是游離存在的納米硅晶粒，平均晶粒尺寸在30～100nm之間。而另一種是彌散分布的細(xì)小等軸的納米硅晶粒，平均晶粒尺寸為5～20nm，且優(yōu)先在晶界和亞晶界等高缺陷處析出;2）通過TEM觀察到大量硅原子在鋁晶粒中的某些區(qū)域偏聚存在，且多數(shù)聚集在鋁晶粒邊緣處，硅原子滯留在鋁晶格中形成過飽和鋁基固溶體。通過EDS分析可知Al-15Si合金15次脈沖處理及Al-20Si合金25次脈

6、沖處理后硅在鋁中的平均固溶度分別為8.54％和8.9％;3)TEM分析顯示15次脈沖處理后Al-17.5Si合金最表層形成非晶氧化鋁，而拉曼光譜分析結(jié)果證實(shí)Al-15Si合金經(jīng)15次和25次脈沖處理后“暈圈”結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域有非晶硅生成，其特征寬帶峰分別出現(xiàn)在468cm-1和478cm-1處;4）5次脈沖處理后Al-15Si合金α（Al）相中形成等軸狀位錯胞，尺寸約為200nm，胞壁為具有厚度差別的高密度位錯纏結(jié)。當(dāng)脈沖次數(shù)從5次增加至25

7、次，Al-20Si合金表面局部區(qū)域產(chǎn)生高密度位錯，并相互纏結(jié)在一起。位錯纏結(jié)區(qū)域鋁晶格畸變增大，衍射斑點(diǎn)被拉長。
　　最后利用顯微維氏硬度計(jì)和銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對強(qiáng)流脈沖電子束處理前后過共晶鋁硅合金表面硬度和耐磨性進(jìn)行了測試，主要結(jié)果如下:1）Al-15Si、Al-17.5Si和Al-20Si三種合金表面共晶組織和α(Al)的顯微硬度隨著脈沖次數(shù)增加都逐漸增大。與原始樣品相比，25次脈沖處理后三種合金共晶組織顯微硬度分別提高了約

8、0.7倍、1倍和0.7倍，而α(Al)顯微硬度依次提高了約0.7倍、1倍和1倍;2）Al-20Si合金原始組織中初生硅顯微硬度沒有呈現(xiàn)大幅度波動，平均值為8514.7MPa。但電子束處理后初生硅所形成的“暈圈”結(jié)構(gòu)顯微硬度從其中心到邊緣呈現(xiàn)由大到小的梯度變化;3）三種合金經(jīng)電子束25次脈沖處理后表面重熔層的顯微硬度有明顯增加，其數(shù)值分別為1049.3MPa、1147.4MPa和1216MPa，與距離表面140μm處基體顯微硬度相比都提高