具有初生硅相的亚共晶铝硅合金的微观组织
具有初生硅相的亚共晶铝硅合金的微观组织
施忠良 范同祥 顾明元 张 荻 吴人洁
(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200030)
无论是亚共晶或共晶铝硅合金中针状共晶硅还是过共晶铝硅合金中的粗大块状初生硅都严重割裂了基体，降低了铝硅合金的强韧性。为此，铝硅合金通常要变质处理来改善硅相的形态，使过共晶铝硅合金中的初生硅相和共晶硅相或共晶与亚共晶铝硅合金中的共晶硅相细化成粒状或短棒状[123]。对于工业上广泛应用的亚共晶铝硅合金，若能相对减少共晶硅相的数量，形成一部分规则粒状初生Si相取而代之，无疑将有利于材质的强韧性。为此本文
采用过共晶铝硅合金与铝或亚共晶铝硅合金熔体流变混熔复合工艺结合P-Cu变质处理制得
具有初生硅相的亚共晶Al-Si合金，采用透射电镜(TEM)分析Si相的亚结构、形核与生长及界面特征。
通过流变混熔复合工艺制得的亚共晶成分Al28wt.%的组织观察发现初生硅相形成且初晶Si相呈规则多角状，尺寸细小，共晶硅多位于A相的晶界处，或者围绕初晶硅呈放射状
结构。无论是初生硅还是共晶硅相中均有大量的面缺陷，主要以层错、孪晶为主。
图1是初生硅相破裂后，熔体从裂痕处浸入，随温度降低被包入硅相内的特征。其形态是圆岛状结构。被包入的熔体随之凝固，最后在硅相内部形成共晶结构，其中硅相依附于初生硅相长大，能谱分析结果证明了这一点。
图2和图3a可看出硅相一侧有较大尺寸的析出物。图3b为能谱EDS分析结果，表明
析出产物含Cu、Al较高，且其组成基本满足CuAl2相的组成。证明该物质为CuAl2，这
类析出物CuAl2产生于凝固过程。由于不平衡凝固，Cu被排到液固界面的最前沿，同时初
生Si在凝固过程中也被推到界面的最前沿。当满足成份和温度条件时CuAl2相形成并依附于Si相生长。第二类析出产物为细小的蝶盘状析出和椭圆状析出，如图4所示。蝶盘状和
椭圆状析出为CuAl2(H′)结构，这两种结构均是由时效引起。材料从制备到TEM观察，在
室温下放置了较长时间。离子减薄过程中，氩离子束的轰击下试样表面的温度都足以导致材料的时效析出。CuAl2(H′)以椭圆状和蝶盘状从过饱和α-Al中析出与基体呈局部共格关系。
在硅相界面附近观察发现:部分界面处有块状析出产物，能谱分析为CuAl2，如图1所示。另外，在Si相界面α-Al的一侧观察到大量的位错。原因是由于材质从高温冷却时，
两者的热膨胀系数存在较大差异从而在基体中造成很大的热应力，图5所示。
综上所述得出如下结论：
通过流变混溶工艺在亚共晶铝合金中能够形成细小的多角状初生硅相，共晶硅为长条状，位于α-Al的晶界处或以初生硅为核心呈放射状分布。初生、共晶硅相的精细结构中有大量
的缺陷(以孪晶、层错等面缺陷为主)。
初生、共晶硅中都发现有岛状组织，原因是初生硅相受剪切破碎和溶解使得熔体沿裂痕进入形成的。另外存在两种形态的析出相CuAl2：一种是凝固时形成的短棒状CuAl2，另
一种是时效析出细小的椭圆状或碟盘状CuAl2相。
图1 硅相破裂后熔体被包入的形态 图2 硅相端部CuA l2的形态
图3 硅相端部CuA l2的形态及其能谱分析
图4 蝶盘状和随圆状析出相形态图 图5 硅相界面无析出相的光滑界面结构
过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系
２００９年第１期曾斌，刘奇元：过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系 ?５１? 共晶硅。因此当我们需要确定两相的取向关系时，还需要得到硅相的衍射斑点，于是将电子束移至单一共晶硅时，共晶硅的所有斑点都显示出来了。即图 （ａ）两相区选区衍射（＾１）ｌｂ，图１ｂ中共晶硅与图１ａ中共晶硅的衍射斑点相同。利用这两副衍射斑点图，我们可以得到共晶铝硅相的取向关系。 （ｂ）单—硅相选区衍射 ２．１标定图１ａ中共晶铝的衍射斑点图 对照面心立方特征平行四边形表： （１）在基体衍射斑点叠 １３１５１６１］㈣晶带轴ＲＩ毪２，爪／Ｒ１：＝１．．０。００，，ＲＩ玛３／能Ｒ２：－－１．．。０２０： Ｒ１＝２０．５３；Ｒ２＝２０．７７；Ｒ３＝２０．８２ 、～．。。９●………．… …。。’．二～……。ｉ． １毪瓜ｌ：１名１０：Ｒ３瓜１二１．０１４ ’因为衍射斑点６次对称，所以排除［３５６］晶带轴 （ａ）标定前（＾１）田２共昌铝选区衍射 （２）验证标定的指数 Ｌ＝８００ｍｍ，加速电压Ｕ＝１００ｋＶ，查表得到波长＝０．０３７埃 ①当晶带轴取［１１１］时，代入Ｌｋ＝Ｒｄ代入得到ｄ＝１．４４１Ａ 查表ａ－－ｄ×２．８２８ ａ＝４．０７７Ａ ②当晶带轴取［３５６Ｊ时，代入Ｌ入＝Ｒｄ代入得到ｄ＝ｄ＝１．４４１Ａ 查表ｆｌ＝ｄ×４．３５９ ａ＝６．２８１Ａ Ａｌ的晶体点阵常数４．０４９６／ｋ可以排除Ｃ３５６］晶带轴 斑点晶带轴指数为［１１１］，斑点指数分别为Ｒ１（２０２），Ｒ２（０２２） （ｂ）标定后（＾１） ２．２标定图ｌｂ中共晶硅的衍射斑点图 （１）在基体衍射斑点中， Ｒ１＝９．４５，Ｒ２＝９．５３，Ｒ３＝１０．８ Ｉ毪瓜１＝１．００８，Ｒ３／Ｒ１＝１．１４３， ［０１１］晶带轴Ｒ２／Ｒ１＝１．０００。Ｒ３／Ｒ２＝１．１５５所以Ｒ１（１１１）Ｉ毪（１１１）（２）验证标定的指数 Ｌ＝８００ｍｍ，加速电压Ｕ＝１００ｋＶ，查表得到波长＝０．０３７埃 Ｌｋ＝Ｒｄ代人得到ｄ＝３．１３２Ａ查表ａ／１．７３２＝ｄａ＝５．４２５Ａ Ｓｉ的晶体点阵常数５．４２８Ａ
铝合金细化剂的研究现状及其中共晶硅的变质研究现状
铝合金细化剂的研究现状及其中共晶硅的变质研究现状 目前人们已经对铝合金有了较多的认识甚至是较深入的了解，通常人们为了提高铝合金的力学性能，通常要对铸铝中的初生硅相经行处理，晶粒细化剂是铝合金生产中常用的添加剂之一能显著提高铝合金的力学性能和机械加工性能对铝合金的生产具有十分重要的意义。根据Hall-Petch公式可知材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，细小的晶粒尺寸可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能对于铝在各行业的应用均具有重要的意义。目前，细化铝合金晶粒的方法主要包括以下4种方法：1、控制金属凝固时的冷却速度; 2、机械物理细化法包括机械振动机械搅拌等物理场细化法; 3、如电场磁场超声波处理等; 4、化学细化法,向合金中加入各种晶粒细化剂促进铝及合金的形核或抑制晶核长大。在工业生产中细化晶粒尺寸最常用的方法是化学细化法即在熔融的铝液中加入晶粒细化剂起到异质形核的作用进而细化晶粒尺寸。20世纪四五十年代，晶粒细化剂起源于英国的Cibula金属研究协会，这时的细化剂主要是Ti、B盐块剂。20世纪60年代由于无芯感应炉的应用中间合金的生产及应用取得飞速发展相继出现了Al-Ti-B锭华夫锭等相关产品，20世纪70年代是铝合金晶粒细化剂Al-Ti-B丝有效提高了晶粒细化效果降低了细化剂的加入量，同时改善了TiB2在炉内的团聚现象。在20世纪七八十年代晶粒细化剂生产工业的研究方向主要是通过改善Ti/B配比优化细化效果。20世纪90年代细化剂的生产开始采用ISO9002为基准的技术措施大大提高了Al-Ti-B的细化效果，同时由于硼化物仍然存在一定的团聚现象，影响细化剂的使用效果，从而采用一定量的石墨代替细化剂中的B制得的Al-Ti-B中间合金不仅具有较好的细化效果同时避免了硼元素的团聚现象。现在常用的细化剂有Al-Ti-B中间合金、Al-Ti-B-RE、Al-5Ti-1C中间合金。目前工业生产中使用的晶粒细化剂主要为Al-Ti-B，这种细化剂制备工艺较为成熟质量日益提高具有较好的细化效果，但存在TiB2团聚等问题仍需要不断改进作为改善Al-Ti-B细化效果，作为改善Al-Ti-B细化效果的Al-Ti-C和Al-Ti-B-RE细化剂也逐渐进入铝合金生产企业的视野，但是Al-Ti-C的制备过程复杂成本较高在现有条件下并不适合大规模工业生产，而Al-Ti-B-RE中由于加入了RE 元素导致其细化机理和工艺复杂化。因此仍需进一步探索以使其能够达到最佳的细化效果。 无论是亚共晶还是过共晶铝合金，对共晶硅的变质处理能显著改善铸铝的铸造及力学性能。作为变质剂，Na变质能力强，但存在变质衰退快及过变质等问题。Sr具有较好的变质能力，同时变质有效期长，没有明显的过变质问题，其变质孕育期的长短主要与合金中的磷的含量有关。Sb变质具有长效性，重熔后仍然具有变质的能力，但变质效果较差，其变质机理与Na和Sr不同。但就是同样的物质处理工艺过程不一样，变质的效果不一样，比如，过共晶铝硅合金新型变质剂不同变质时间及添加顺序对变质效果的影响时效性实验表明:自制新型变质剂对过共晶铝硅合金具有良好的变质效果; 在15min～120min内，共晶硅得到了更好的变质效果，呈细小的短杆状粒状，端部圆滑，均匀紧密，弥散分布在Al 基体上; 在15min～120min内，随时间的延长，初生硅的形状先统一规则，呈板块状，分布均匀，棱角钝化，平均尺寸较小，达到18um，然后初生硅形状不再统一规则，平均尺寸变大;复合变质剂中的Ti∶C、Sr盐Ca盐变质作用在15min内变质效果不大，在45min后开始失效; 而Cu盐和稀土起短效变质作用;复合变质剂较优加入顺序为: 在加入复合变质剂中的Ti: C、Sr 盐Ca盐45min时，再加入Cu盐和稀土具有良好的变质效果。再比如过共晶中对于复合变质剂的加入顺序、加入量以及变质的长效性。试验发现:PM和Sr复合变质剂的加入顺序对过共晶铝硅合金A3- 90变质效果影响很大,先加入PM变质剂,后加入Sr变质剂,变质后初晶硅呈现开花状形貌,共晶硅为细小的圆点状;先加入Sr变质剂,后加入PM变质剂,初晶硅变质效果明显优于单独PM变质效果。加入PM质量分数为1%时,Al -10Sr变质剂的最佳加入量