喷射沉积高硅铝合金的显微组织研究

2009年6月

哈尔滨理工大学学报

JOURNALOFHARBINUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol114No13Jun.2009

喷射沉积高硅铝合金的显微组织研究

康福伟,　司红丽,　曹福洋,　孙剑飞

1

1

2

2

(1.哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:通过金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射分析等手段,对Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金的喷射沉积态、挤压态以及热处理态的微观组织进行了观察及分析.结果表明:沉积态中初生硅相细化,合金经热挤压后组织致密、晶粒细小,热处理后合金第二相颗粒数量增加,尺寸未

见明显改变,合金主要由α-Al,β-Si,β(Al5FeSi),Al8Si6Mg3Fe,FeSi2,Al8Fe2Si等物相组成,热处理后新析出了细小的Al2Cu和Al2CuMg相,且以Al2Cu相为主.

关键词:喷射沉积;高硅铝合金;显微组织中图分类号:TG146.2文献标志码:A文章编号:1007-2683(2009)03-0107-04

ResearchofMicrostructureofSpray2depositedHighSi2AlAlloy

KAGNFu2wei,SIHong2li,CAOFu2yang,SUNJian2fei

1

1

22

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040,China;

2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,HarbinInstitueofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Themicrostructureofextrudedandheattreatedspray2depositedAl222Si2415Fe2115Mg2415Cualloywasinvestigatedbymetallographic,scanningelectronmicroscopy,X2raydiffraction.Theresultsshowthatas2extru2dedalloymicrostructurewassmaller,thenumberofthesecondphasegrainincreased,anditsdimensionhadnoobviouschangedanditsshapewascircular.

Thealloywasprimarycomposedbyα2Al,β2Si,β(Al5FeSi),

Al8Si6Mg3Fe,FeSi2,Al8Fe2Si,afterheattreatedAl2CuandAl2CuMgphaseprecipitated,andmainlywithAl2Cu.

Keywords:spray2deposited;highSialuminumalloy;microstructure

1　引　言

Al-Si系中的高Si铝合金具有高弹性模量、耐

磨性良好和热膨胀系数低的特点,被广泛应用于汽车和电子工业中.但是,传统工艺制备的高Si铝

合金,粗大的Si相严重割裂了合金基体的连续性,使合金的强度、韧性显著下降;虽然采用多种工艺使初生硅相细化,但对于硅质量分数超过15%的铝合

收稿日期:2007-12-20

基金项目:哈尔滨市青年基金(2004AFQXJ039)作者简介:康福伟(1970—),男,教授,硕士生导师.[1]

金,效果甚微.粉末冶金技术能够有效地细化初生Si相,但复杂的工序致使生产成本大大提高,此外制备过程中严重的氧化和原始粉末颗粒界面等问题,降低了合金的韧性,了合金性能的进一步发挥.喷射成形快速凝固技术的发展推动了高Si铝合金的研究,它能显著改善初生Si的形状及分布,提高合

[2-3]

金的使用性能.

为改善它的常温性能,常加入Cu、Mg等元素作为析出强化元素,但这些元素的加入降低了合金热

108哈　尔　滨　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷　

[4-5]

稳定性,使其被在低于150℃范围内使用.

为了改善合金的高温性能,常在合金中加入Fe、Ni、Mn等合金元素.Al-Si-Cu-Mg快速凝固合金中添加Fe和Ni可以形成复杂的金属间化合物,其主要有Cu2FeA17,CuFeAl6,FeMg3Si6A18,δ-(Al,Si,Fe),β-(Al,Si,Fe)以及A13(Ni,Cu)2,A17Cu4Ni等.这些金属间化合物的显著特点是热

3　实验结果及分析

311　挤压态高硅铝合金的组织

图1为热挤压后平行于挤压方向合金的微观组织光学照片.由图可知,合金基体上分布着大量细小的颗粒相,基体相晶界分辨不出来,平行于合金挤压方向上没有通常挤压合金出现的纤维带状组织特征,其原因可能有以下几个方面:①快速凝固合金基体组织非常细小,挤压使晶粒变形程度有限,不能产生通常挤压合金中所形成的明显被拉长的晶粒;②合金中含有大量硬质第二相,其尺寸基本与基体晶粒保持在同一数量级水平,在热挤压过程中,基体晶粒不仅受到沿挤压方向的拉应力作用,还受到来自于挤压方向前的硬质第二相的阻碍作用,其受力是多方向性的,因此变形也不能表现出明显的方向性;③合金在热挤压过程中,不仅受到挤压力的作用,还受到高温作用,这导致合金在变形时伴随有回复和动态再结晶发生,挤压结束后在冷却过程中受到余热的作用也可能发生回复再结晶,使挤压变形晶粒通过形核长大,改变变形所造成的纤维状组织特征,但是,由于合金中存在的大量第二相对再结晶有阻碍作用,因此再结晶晶粒并不能过分长大.

稳定性特别好,无论是在高温挤压,还是高温加热,既不发生溶解也不粗化,且能够阻碍Si相和基体晶粒的长大,使合金在常温和高温都能保持细小的组织特征.在喷射成形Al-Si-Fe-Cu-Mg合金中加入1%Mn后,组织中形成了颗粒状的金属间化合物Al15(FeMn)3Si2,针状Al-Si-Fe金属间化合物的数量减少了大约一半;当把质量分数为3%的Mn加入合金中,在喷射沉积快速凝固条件下,合金组织中针状的金属间化合物被颗粒状的Al15(FeMn)3Si2相所代替,从而避免了针状金属间化合物对材料断裂韧性、疲劳性能和后续

[7]

加工性能的不利影响.

本文主要研究了喷射沉积Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金挤压态,及热处理态的微观组[6]

织特点,这对于进一步提高合金的性能具有重要意义.

2　实验材料及研究方法本实验所用合金Si,Fe,Mg,Cu的质量分数分别为:22%,415%,115%,415%;Al余量.喷射沉积采用环缝式喷嘴,雾化气体为N2,气体压力为210MPa;喷射时熔体温度为870℃,导液管直径为310mm,沉积距离为400mm.致密化采用450℃热挤压

工艺,挤压比为8∶1,挤压成Φ75×190mm的管材.

固溶和时效处理均在箱式电阻炉中进行,控温误差为±2℃.具体热处理工艺为530℃,固溶2h,水淬,220℃时效4h,空冷.对试样进行了光学、扫描电镜组织观察以及XRD物相分析.按照标准金相试样制备技术制备试样,用Keller腐蚀液侵蚀60s,在OlympusGX71型金相显微镜及飞利浦FEISirion200型热场扫描电子显微镜上进行组织观察.挤压态及固溶时效后样品的X射线物相分析,在日本理学O/MAX-RBX型X

在扫描电子显微镜下观察,合金沉积态出现的针状组织在挤压后得到细化如图2(a)所示,并且可以观察到,针状和棒状组织在挤压后破碎,如图2(b)所示.合金经过挤压后,初晶硅略有长大,平均尺寸为10μm.在喷射沉积A1-Si系合金热挤压过程中,Si颗粒尺寸存在两种变化趋势:一方面Si颗粒受热发生长大,这主要通过获取铝基体中过饱和固溶的Si原子来实现.但由于沉积锭在自备过程中存在部分氧化,晶界间的这种氧化膜阻碍了晶粒的长大;添加的Fe等改性元素与基体

α为辐射射线,射线衍射仪上进行.采用铜靶,CuK

θ)为10o～160o,电压40kV,电流40mA,扫描范围(2

o

衍射角速度为010025/s.

第3期康福伟,等:喷射沉积高硅铝合金的显微组织研究

[5]

[8]

109

形成了高熔点的金属间化合物,分布于初晶Si及晶界周围,阻碍了晶粒长大.另一方面,由于Si颗粒是硬脆相,在挤压过程强烈的三向压应力作用下发生破碎从而得以细化.这两方面的作用共同决定了最终挤压态合金中的大部分Si相仍十分细小.图3为挤压态Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金的XRD图谱.由X射线衍射分析得知,挤压态合金组织主要由α-Al,β-Si,β(Al5FeSi),Al8Si6Mg3Fe,FeSi2,Al8Fe2Si等物相组成,未见Cu

抑制了硅相的粗化;而β(Al5FeSi)等金属间化合物显著的特点是热稳定性特别好,无论是在高温挤压,还是高温加热,都不会发生溶解,也不会粗化.同时发现合金的第二相数量增多,特别是小颗粒相,说明合金在热处理后有新的第二相析出.

元素形成的化合物,表明它已经固溶到基体中,为时效过程中析出细小强化项奠定了基础.

图5是热处理态喷射沉积Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金的XRD图谱,由X射线衍射分析可知,热处理态合金析出新的第二相为Al2Cu和Al2CuMg,但是能谱分析只发现了Al2Cu,可能是由于析出沉淀相以Al2Cu为主,而Al2CuMg较少.观察SEM照片可知,热处理后的合金析出相比较细小且形状圆整,如图6箭头所指.

312　热处理态高硅铝合金的组织

喷射沉积Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金是可热处理化的铝合金.本文采用的热处理工艺为530℃固溶2h;水淬;220℃时效4h;空冷.图4为热处理态喷射沉积高硅铝合金的显微组织.与挤压态相比,它们的尺寸未见明显变化,因为本合金中加入的Fe元素与Al,Si形成金属间三元化合物,减弱了硅原子的活性,使得硅原子不易发生扩散.此外,AI-Fe-Si三元金属化合物在经过挤压后得以细化,弥散的分布在晶界和亚晶界上,有效地淹没了晶界或亚晶界的空位,堵塞了硅原子远距离扩散通道,

110哈　尔　滨　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　第14卷　

社.2006.

4　结　论

喷射沉积Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合

金经过热挤压后,基体上分布着大量细小的颗粒相,基体相晶界分辨不出来;初晶硅略有长大,平均尺寸为10μm.

挤压态Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金组织主要由α-Al,β-Si,β(Al5FeSi),Al8Si6Mg3Fe,FeSi2,Al8Fe2Si等物相组成,未见Cu元素形成的化合物,表明它已经固溶到基体中,为时效过程中析出细小强化项奠定了基础.

热处理态Al-22Si-415Fe-115Mg-415Cu合金相对于挤压态第二相尺寸未有变化,是由于β(Al5FeSi)等金属间化合物热稳定性特别好,不易粗化且能阻碍Si相及基体晶粒的长大,使合金具有细小的组织特征.

热处理后的合金组织中有细小的新相析出.新的析出相为Al2Cu和Al2CuMg,其中以Al2Cu为主.参考文献:

[1]　潘复生,张丁非.铝合金及应用[M].北京:化学工业出版[2]　SRIVATAVAVC,GHOSALP,OJHASN.Microstructureand

PhaseFormationInSprayDepositedAl-18%Si-5%Fe-115%Cualloy[J].MaterialsLetters,2002,56:797-801.

[3]　WUYue,WILLIAMA,LAVEMIAEJ,etal.Microstructureand

MechanicalPropertiesofSpray-depositedAl-17Si-415Cu-016MgAlloy[J].MetallMaterTransA,1995,26A:1235.[4]　ZHOUJ,DUSZCZYKJ,KOREVAARBM.StructuralDevelop2

mentDuringtheExtrusionofRapidlySolidifiedAl-20Si-5Fe-3Cu-1MgAlloy[J].Mater.Sci.,1991,26:824-834.[5]　ZHOUJ,DUSZCZYKJ,KOREVAARBM.MicrostructuralFea2

turesandFinalMechanicalPropertiesoftheIron-ModifiedAl-20Si-3Cu-1MgAlloyProductProcessedfromAtomizedPowder[J].Mater.Sci.,1991,26:3041-3055.

[6]　ANANDS,SRIVATSANTS,YUW,etal.Processing,Micro2

structureandFractureBehaviourofaSprayAtomizedDepositedAluminiumSiliconAlloy[J].Mater.Sci.,1997,32:2835-2848.[7]　王　锋,何建平,杨　滨,等.喷射沉积Al-Si-Fe-Mn-Cu

-Mg合金的微观组织及力学性能[J].航空材料学报,2001,21(1):200-204.

[8]　王　锋,杨　滨,崔　华,等.喷射沉积Al-20Si-5Fe-3Cu-1Mg合金的微观组织及力学性能[J].北京科技大学学报,2000,22(4):324-327.(编辑:付长缨)

(上接第106页)

[3]　沈淑玲,毋　伟,郭　锴.两步反相微乳液法原位制备纳米

SiO2/聚甲基丙烯酸甲酯复合微粒[J].硅酸盐学报,2005,33(3):304-308.

[4]　张良均,程菊兰,赵仲宇.纳米TiO2/甲基丙烯酸甲酯原位乳液

电性能的影响[J].材料开发与应用,1998,13(6):22-26.

[9]　朱立超,张　志,高彦芳.原位聚合制备碳纳米管/PMMA复合

材料的研究[J].塑料工业,2004,32(2):20-22.

[10]　李　红,黄承亚.溶胶-凝胶法制备有机玻璃含锆耐磨涂层

[J].广东工业大学学报,2004,21(1):63-66.

[11]　何　涛,高长有.双组分有机硅涂料及其对有机玻璃表面的

聚合研究[J].涂料工业,2003,33(8):1-3.

[5]　杨　毅,李凤生.纳米TiO2复合微粒的制备及应用[J].微纳

电子技术,2002,2:18-21.

[6]　YANGZhi,DONGBin,HUANGYi.AStudyonCarbonNanotubes

ReinforcedPoly(methylmethacrylate)Nanocomposites[J].Mate2rialsLetters,2005,59:2128-2132.

[7]　范凌云,沈晓冬,崔升.表面改性碳纳米管/PMMA复合材料的

增强作用[J].有机硅材料,2006,20(6):288-291.

[12]　白云峰.碳纳米管化学修饰及离子敏感特性研究[D].重庆:

重庆大学化学化工学院,2006:19-23.

(编辑:付长缨)

电性能[J].电子元件与材料,2006,25(4):24-26.

[8]　贾志杰,王正元,徐才录.碳纳米管的加入对PMMA强度和导