流變壓鑄過共晶鋁硅合金微觀組織和力學行為研究.pdf

1、鋁合金具有密度小、重量輕、比強度高、導電導熱性好等優(yōu)點。此外，鋁在提煉及加工過程中較易實現(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、計算機、電子通訊和家電行業(yè)得到廣泛的應用，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，合金力學性能、尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性等都會提高。因此，過共晶Al-Si合金，尤其是高硅鋁合金，是發(fā)展高強耐磨耐高溫鋁合金的方向。但是，Si含量的提高導

2、致合金析出粗大的初生硅，嚴重割裂基體并顯著降低力學性能，極大地阻礙了該系列合金的應用推廣。因此，開發(fā)一種能夠有效細化初生硅尺寸、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化晶粒、實現(xiàn)近凈成形的先進成型技術。半固態(tài)流變壓鑄技術可以看成是流變加工和高壓鑄造的結(jié)合，它同時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，被認為是二十一世紀金屬成形最具發(fā)展前途的技術之一。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，有望實現(xiàn)初生硅細化的目標，同時克服常規(guī)液態(tài)鑄造下的缺點，獲得優(yōu)良的微觀組織和力學性能，并為過共晶Al-Si合金半固態(tài)流變成形技術的開發(fā)和應用提供理論指導和實踐依據(jù)。
　　本文以Al-15Si-4Cu-0.5Mg和Al-20Si合金為研究對象，采用光學顯微鏡(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)研究了機械旋轉(zhuǎn)滾筒制漿工藝對流變漿料組織的影響；首次研究了RE(La、Ce)變質(zhì)和流變加工復合處理對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合制漿工藝對 Al-15Si-4Cu-0.5Mg和 Al-20Si合金進行流變壓鑄成形，研究其微觀組織和力學行為，探討其強化機理。對Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金進行耐磨性

5、能測試，研究流變處理對合金耐磨性能的影響，探討其磨損失效機理。利用Flow-3D軟件對過共晶Al-Si合金熔體在機械旋轉(zhuǎn)滾筒中的流場、溫度場、濃度場進行模擬，分析流變處理對它們的影響，探討流變加工對初生硅形核、生長的作用機制。
　　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，探明了機械攪拌制漿和復合制漿的影響規(guī)律。機械滾筒能制備出初生硅細小均勻

6、、鋁樹枝晶破碎、合金相細小彌散的流變漿料。變質(zhì)和流變加工復合處理進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針狀Al4(FeMnSiCuRE)和 Al2Si2RE相，流變處理可以顯著細化針狀稀土相并使其在基體彌散分布。Al-15Si-4Cu-0.5Mg合金機械攪拌制漿和復合制漿的最佳工藝皆為660 ℃澆注、60 r/min轉(zhuǎn)速；Al-20Si合金機械攪拌制漿和

7、復合制漿的最佳工藝皆為750 ℃澆注、60 r/min轉(zhuǎn)速。
　　對比發(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雜的板條狀、板塊狀、不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@細化的板塊狀，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)和流變加工復合處理進一步細化初生硅的尺寸，降低其體積率，并提高圓整度；與此同時，還細化了偏聚在合金中的針狀Al4(FeMnSiCuRE)和Al2Si2RE相，使它們在基體均勻分布。闡明了半固態(tài)流變壓鑄、稀土變質(zhì)和流變加工復合壓鑄對合金力學性能的影響，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性能

9、；此外，也闡明了它們在流變壓鑄下的凝固特點。
　　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制。低摩擦速度、摩擦載荷下合金磨損機制以磨粒磨損為主。流變鑄造合金中初生硅的細化、圓整化，Al2Cu共晶團簇、α-AlFeMnSi相的細化、均勻化有效提高合金的局部抗力并減少對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基體氧化腐蝕。流變鑄造合金中初生硅的細化、圓整化、α-AlFeMnSi相的細化、均勻化有效降低其破碎、剝落的傾向，同時更好的避免基體的加劇氧化腐蝕，進而提高合金的耐磨性能。
　　利用Flow-3D軟件對過共晶Al-Si合金熔體在機械旋轉(zhuǎn)滾筒中的流場、溫度場、濃度場進行模擬。模擬結(jié)果表明機械滾筒的剪切力和自重帶動合金熔體進行圓周螺旋運動，運動的同時熔體內(nèi)部出現(xiàn)強對流。機械滾

11、筒對熔體產(chǎn)生激冷作用，滾筒的高速轉(zhuǎn)動使其溫度場、濃度場趨于均勻。機械滾筒內(nèi)初生相的形核生長特點如下：激冷效應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)過冷而成長為晶核。高速轉(zhuǎn)動的滾筒促使?jié)L筒內(nèi)壁的晶核進入熔體成為自由晶，同時使得熔體溫度場、濃度場趨于均勻，最終使得自由晶以等軸或球狀方式生長。

12、>　　闡明了流變加工對初生硅形核、生長的影響。機械旋轉(zhuǎn)滾筒的激冷效應增大了熔體凝固的過冷度、提高了預存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)動力，使得四面體和八面體組合成五瓣星形初生硅的形核機制得以啟動，導致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。機械滾筒高速轉(zhuǎn)動引起過共晶Al-Si合金熔體中溶質(zhì)的高速擴散，促進了八面體初生硅頂角、棱邊的生

13、長，使其形成內(nèi)部有孔洞的普通八面體初生硅。機械滾筒攪拌引起的剪應力促使八面體初生硅凝固生長的過程中頂角、棱邊附近靠近固液前沿的晶內(nèi)區(qū)域更容易出現(xiàn)位錯團簇。機械滾筒高速轉(zhuǎn)動使熔體內(nèi)的初生硅顆粒受到強烈的剪切力，同時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，導致初生硅顆粒的破碎，達到細化初生硅的目的。
　　闡明了稀土變質(zhì)和流變加工復合處理對初生硅生長的影響。機械滾筒引起

14、的激冷效應可以有效提高初生硅顆粒的形核率，其高速轉(zhuǎn)動引起熔體的強對流促使更多的稀土元素被吸附到初生硅<112>方向的生長前沿，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，進一步阻礙其生長，起到細化作用。
　　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)量優(yōu)良、可熱處理，其耐壓性能遠遠高于高壓鑄造，表