喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N O i l f e r r o u M e t a l s V 0 1 ．5 6 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 0 4 喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析 张建，赵润娴，刘杰，崔宏祥，毕大森 天津理工学院材料科学与工程系，天津3 0 0 1 9 t 摘要用自行研制的喷射装置制备硅铝合金坯体，分析喷射沉积坯体的组织结构及固溶处理后的组织变化，测试对热挤压 后坯件拉伸、表面硬度、耐磨等性能。在较高过冷度下，熔体形核率增加、沉积时液滴的冲击使初生硅破碎，细化了硅铝合金组织。 固熔处理温度、保温时间对硅铝合金组织影响较大。喷射沉积挤压硅铝合金力学性能与铸造组织相比，抗冲击性能大幅提高，硬 度提高3 0 ％，耐磨性提高2 5 ％。 一 关键词材料科学基础；硅铝合金；喷射沉积；热挤压；固溶处理；坯体 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 3 ．2 5 ；T G l l 3 ．1 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 0 1 一0 3 硅铝合金组织中的粗大针状共晶硅和块状共晶 硅限制了其在工业上的应用，虽然近年来采用变质 处理、低温铸造法、超声振动、电磁搅拌法等方法细 化晶粒，但组织中粗大的初生硅的细化问题解决得 不理想。喷射成型是一种新的材料成型技术，是快 凝技术的进一步发展，该技术制备的材料组织均匀 细小。利用喷射成型技术制备了Z L - 1 0 2 合金的喷 射沉积坯件，热挤压后的坯体进行固溶处理，晶粒虽 然有所长大，但未见粗大的初生硅和针状硅。 1实验方法 试验采用白行设计的P S - 1 型喷射沉积实验装 置，硅铝合金喷射材料成分见表1 。喷射沉积雾化 气体为N 2 ，环型喷嘴，雾化压力0 ．5 ～0 ．8 M P a ，熔体 温度7 0 0 - - 8 0 0 “ C ，接收高度2 2 0 ～3 0 0 m m 。 表1 铝硅合金成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fA I S ia l l o y 堕坌皇壁生坐坚呈塾竺型 含量／％1 30 ．5 一 一0 ．3 一一 余量 喷射后从硅铝坯件上截取1 0 m m 1 0 m m 1 5 r a m 制备金相试样，经5 ％H F 腐蚀后在O L Y P U S 金相显微镜下进行组织观察。热挤压后试样进行机 械性能测试试验和固溶处理。 收稿日期2 0 0 3 0 6 1 7 基金项目天津市自然科学基金资助项目 0 0 3 6 1 1 0 1 1 作者简介张建 1 9 5 3 一 ，男，天津市人，教授，硕士，主要从事金 属材料成形技术与工艺的研究和教学工作。 2 试验结果及分析 2 ．1 喷射沉积坯的组织 金相显微镜下观察喷射沉积后硅铝合金的组织 与铸造后组织相比，共晶硅和粗大的初生硅明显细 化。铸造硅铝合金组织为粗大的针状共晶硅和块状 初生硅，不均匀分布于铝基体上，见图1 a 。喷射 沉积硅铝合金的组织，在铝基体上弥散分布有细小 颗粒状初生硅、极少量的细小针状硅和一些孔洞。 颗粒状初生硅尺寸约为l t t m ，针状共晶硅尺寸为 2 t t m ，见图1 b 。沉积坯件经1 0 0 ℃热挤压后孔洞 基本消除，组织致密度增加，铝基体上共晶硅颗粒大 小基本上没有明显的变化见图1 c 。2 0 0 ℃热挤压 后，喷射沉积硅铝合金组织致密度进一步增加，硅颗 粒有所增大，约为2 ／吐m o 2 ．2 喷射坯件固溶处理后的组织 热挤压后喷射坯件经过5 4 0 ～5 7 0 ℃、固溶处理 1 ，2 ，4 h 保温后水冷，合金的组织变化如图2 所示。 经5 4 0 ℃加热保温l h 后基体与初晶硅尺寸和形状 变化不大，随保温时间延长，基体与初晶硅的尺寸略 有增大，初晶硅有由颗粒状变成条状和较小的块状 的倾向，见图2 a 。5 7 0 ℃固溶处理经1 ，2 ，4 h 保温 组织中硅晶粒变化较明显，保温时间延长，基体和硅 相进一步长大，尤以保温4 h 晶粒长大倾向较为突 出，条状硅变为针状，初生硅尺寸增大，针状硅尺寸 约5 , u m ，但仍未见粗大的初生硅，见图2 b 。 2 ．3 分析与讨论 显微镜下观察表明，喷射沉积后合金组织细小 均匀。由于熔融金属在流动过程中受到高动量、高 能量气体作用，使金属流形成大量雾状金属小液滴， 万方数据 2有色金属 第5 6 卷 雾化阶段的冷却速度可达1 0 3 K ／s 。雾化过程中雾 化锥中的小液滴本身和周围的温度场之间形成较高 温度差，小液滴向周围气体辐射热，迅速降低了自身 的温度，形成了较高的过冷度，造成小液滴在极短时 间内的快速凝固，推迟了晶核的形成，抑制了晶核的 长大，细化了初生硅。雾化锥中的液滴在沉积过程 中，受雾化气体的作用加速向接收器表面撞击，导致 ’ 已凝固了的枝晶硅破碎、变形，使硅颗粒数量增加， 成为非均匀形核的核心。同时已凝固的液滴在接收 器表面堆积、焊合时，由于结晶潜热作用使局部发生 重熔，凝固液滴中尚未凝固的液相中的硅得以长大， 液相的快速凝固又使得硅原子扩散距离缩短，硅原 子长大受到一定的限制，致使沉积后的坯件组织中 硅晶粒非常细小，针状硅也非常细小，形成了不同于 铸造的组织。 a 一铸造合金组织1 0 0 0 x ； b 一喷射后合金组织1 0 0 0 x ； c 一1 0 0 t 3 热挤压后的组织1 0 0 0 ； d 一2 0 0 “ c 热挤压后组织1 0 0 0 x 图1 喷射沉积挤压后组织 F i g ．1 T e x t u r ef o r8 p r a y i n gd e p o s i t i o na n de x t r u s i o n 图2 不同温度固溶处理硅铝合金的组织 F i g ．2 S i A Ia l l o yt e x t u r ea n n e a l i n ga t8 1 3 Ka n d8 4 3 K 固溶处理的试件随加热温度的提高，使S i 在 口一A 1 中的固溶度下降，S i 相析出，伴随着S i 颗粒长 大，加热温度提高，保温时间延长，都会使硅进一步 长大。所以5 7 0 ℃固溶处理较5 4 0 ℃固溶处理后，组 织中初生硅与共晶硅进一步长大。 3 合金的力学性能 表2 为热挤压后合金的力学性能。从表2 可 万方数据 第3 期张建等喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析 3 知，喷射沉积合金热挤压后较铸态合金抗冲击性有 大的提高，硬度也较挤压前提高了3 0 ％。磨损试验 证明，喷射沉积坯件经挤压后耐磨性较铸态合金提 高2 5 ％，见图3 。 表2 硅铝合金机械性能 T a b l e2m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fS i A Ia l l o y 4结论 喷射沉积硅铝合金在较高的过冷度下，熔体形 核率增加、沉积时液滴的冲击使初生硅破碎，细化了 硅铝合金的组织。固熔处理温度、保温时间对硅铝合 金组织影响较大，喷射后合金组织经固熔处理有显著 的变化。喷射沉积挤压硅铝合金力学性能与铸造组 参考文献 图3 硅铝合金磨损量与时间的关系 F 堰．3W e a r i n gq u a n t i t yt w At i m er e l a t i o n 啾0 f 辫ma 岍 织相比有较大的提高，抗冲击性能大幅提高，硬度提 高3 0 ％，耐磨性提高2 5 ％。进一步优化热挤压工艺， 将使坯体的致密度增加将进一步提高力学性能。 [ 1 ] 张济山，崔华，段先进，等．雾化喷射沉积中沉积体内的凝固过程 I 址C u 合金的计算[ J ] ．北京科技大学学报，1 9 9 7 ， 1 9 1 2 2 2 7 ． 【2 ] 王建强．喷射成形技术的研究发展及展望【J ] ．世界科技研究与发展，2 0 0 0 ，2 2 1 6 2 6 5 ． [ 3 j 米国法，李周，张智慧，等．喷射沉积高温合金的显微组织及其力学性能[ J ] ．航空材料学报1 9 9 8 ，1 8 1 2 3 2 8 ． [ 4 ，赵润娴，张建，刘杰，等．不同喷射沉积工艺对硅铝合金组织的影响分析[ J ] ．天津冶金；2 0 0 2 ， 4 6 7 ． T e x t u r ea n dP r o p e r t yo fS p r a y i n gD e p o s i t i o nS i A lA l l o y Z H A N GJ i a n ，Z H A OR u e n x i a n ，L j UJ i e ，C I UH o n g - c i a n g ，B ID a s 荫 D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，T i a n f i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，T i a n j i n3 0 0 1 9 1 ，C h i n a A b s t r a e t T h er o u g hb l a n ko fS i A Ia l l o yi sp r e p a r e db ys e l f - m a d es p r a y i n gd e p o s i t i o na p p a r a t u s ，t h et e x t u r eo fr o u g h b l a n ka n dt h es t r u c t u r ee v o l u t i o na f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n ta r ea n a l y z e d ，a n dt h ep r o p e r t i e sf o rs t r e t c h i n g ， a b r a s i o na n ds u r f a c e h a r d n e s sa r ed e t e r m i n e d ．U n d e rt h ed e e po v e r - c o o l e dc o n d i t i o n ，t h ep r i m a r ys i l i c o ni sb r o k e n a n dt h eg r a i ns i z eo ft h er o u g hb l a n kt e x t u r ei sf i n e db yt h ee f f e c t so ft h ei n c r e a s eo fn u c l e u sf o r m a t i o nr a t e a n dt h ea l l o yd r o p si m p a c tw h i l ed e p o s i t i n g ．T h e r ea r eo b v i o u se f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dr e t e n t i o nt i m ef o rs o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n to nt h er o u g hb l a n kt e x t u r e ．C o m p a r e dt ot h ec a s t i n gt e x t u r ei nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e s h o c kr e s i s t a n c eo ft h er o u g hb l a n kt e x t u r ei sg r e a t l yi n c r e a s e d ，t h eh a r d n e s si si n c r e a s e db y3 0 ％，a n dt h e a b r a d a b i l i t yb y2 5 ％． K e y w o r d s f o u n d a t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e ；S i A 1a l l o y ；s p r a y i n gd e p o s i t i o h ；h e a t i n ge x t r u s i o n ；s o l i ds o l u 一 ．t i o nt r e a t m e n t r o u g h h o d v 嘲鞲越 万方数据