噴射沉積高硅鋁合金

1、噴射沉積過共晶鋁硅合金的組織和半固態(tài)成形1 研究背景 過共晶鋁硅合金是一種優(yōu)良的耐磨材料，具有密度小，熱穩(wěn)定性好，耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)，而且隨著含硅量的增加，其密度將進(jìn)一步減小、熱穩(wěn)定性和耐磨性將進(jìn)一步提高。普通鑄造成形時(shí)，析出粗大的初生硅，破壞了基體的連續(xù)性，顯著降低合金的強(qiáng)度、韌性，限制其應(yīng)用范圍。近年來英國、美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用噴射沉積快速凝固技術(shù)制備高硅含量的過共晶鋁合金，取得了令人鼓舞的結(jié)果，他們正在致力于開發(fā)高性能的產(chǎn)品。 噴射沉積可以直接形成棒、環(huán)、管、板等規(guī)則形狀的坯料，且這種沉積坯料的致密度很難達(dá)到100%，一般都要經(jīng)過后續(xù)的二次成形，二次成形的主要方法是固態(tài)擠壓，對(duì)于高硅

2、含量的過共晶鋁合金，組織含有大量的高硬度的硅相，固態(tài)擠壓成形比較困難。因此本研究項(xiàng)目將半固態(tài)觸變成形應(yīng)用到噴射沉積過共晶鋁合金的二次成形中，利用半固態(tài)成形阻力?。怀叽缇雀叩膬?yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)復(fù)雜形狀的耐磨零件，開辟一條噴射沉積材料的致密化和二次成形的新途徑，為航空、航天、汽車、電子等工業(yè)部門開發(fā)輕質(zhì)的、高性能的耐磨零件。2 噴射沉積過共晶鋁硅合金坯料的制備nozzlepowerN2furnacestoppertundishstreamdropletbilletlasersubstancerotation unit2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法 噴射沉積實(shí)驗(yàn)是在北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的噴射沉積設(shè)

3、備上進(jìn)行。該設(shè)備的主要特點(diǎn)：q感應(yīng)電爐熔化q環(huán)空式霧化噴嘴q傾斜沉積基板q激光限位控制拉坯速度 實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)：熔體過熱度：100；飛行距離：400mm和500mm；沉積基板傾斜：300，沉積基板直徑：140mm偏心距：20mm、30 mm、50 mm。圖2.1 噴射沉積設(shè)備示意圖(a)(c)(e)(b)(d)(f)圖2.2 噴射沉積過共晶鋁硅合金坯料照片 (a)B3；(b)B4; (c)B5; (d)B6; (e) B1; (f)B2偏心距20mm偏心距30mm偏心距50mm1）含硅量對(duì)過共晶鋁硅合金常規(guī)凝固組織的影響 隨著硅含量的增加，初生硅數(shù)量增加，尺寸變大，初生硅相的形狀有從塊狀向長條狀

4、變化的趨勢(shì)。圖3.1 金屬型鑄造過共晶鋁硅合金的凝固組織 (a)Al-20wt%Si； (b) Al-25wt%Si； (c)Al-35wt%Si ； (d) Al-40wt%Si 3 噴射沉積過共晶鋁硅合金的凝固組織及其形成機(jī)理噴射沉積過共晶鋁硅合金的凝固組織及其形成機(jī)理3 3.1過共晶鋁硅合金的常規(guī)凝固組織2）冷卻速度對(duì)過共晶鋁硅合金凝固組織的影響 隨著冷卻速度的增加，初生硅相的尺寸減小，形狀由長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟菭?；?dāng)冷卻速度增大到一定程度（約101K/sec），凝固組織中出現(xiàn)了枝晶狀相。過共晶鋁硅合金的平衡凝固組織初生硅和（ +Si）共晶體組成，共晶硅呈針狀。1K/s0.5K/s10K/s

5、10K/s圖3.2 冷卻速度對(duì)Al-30wt%Si合金凝固組織的影響 (a)爐冷試樣；(b)保溫磚型鑄造試樣; (c)和 (d)金屬鑄造試樣的飛邊（厚度約為0.2mm)(a)(b)50m3.2 噴射沉積過共晶鋁硅合金沉積態(tài)組織1) 無典型的共品組織：沉積態(tài)組織由Si+相組成，沒有針狀共晶硅，如圖3.3所示2) 硅相為細(xì)小塊狀或顆粒狀：20%Si鋁合金中硅相的尺寸為1-6m，30%Si鋁合金中硅相的尺寸為4-10m。圖3.3 噴射沉積過共晶鋁硅合金的凝固組織 (a)Al-20wt%Si； (c)Al-30wt%SiconnectABCD。3）硅相顆粒有粘連和聚結(jié)現(xiàn)象：數(shù)個(gè)硅顆粒聚結(jié)在一起，有的甚

6、至連成了一片。如圖3.4中可以看出A、B、C、D四個(gè)硅顆粒粘連在一起。4）靠近沉積基板處的組織十分細(xì)小，在普通光學(xué)顯微鏡下難于觀察清楚，在電子顯微鏡下可以看出其組織仍然是由Si相和基體相組成，硅相大多成顆粒狀，其尺寸在0.5-2m，如圖3.5所示。圖3.5 噴射沉積Al-20wt%合金坯料靠近沉積基板的組織圖3.4 噴射沉積Al-20wt%合金沉積坯料的凝固組織的SEM照片圖3.6 不同粒徑的過噴粉末的凝固組織(a) 粒徑約20 m (b )粒徑約50 m (c)粒徑約100 m 3.3 過噴粉末的凝固組織 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過噴粉末的凝固組織顯然不同于沉積坯料的沉積態(tài)組織，過噴粉末的凝固組織由初生硅、

7、（+Si）共晶體和枝晶狀相組成，初生硅為的塊狀，共晶硅為細(xì)小粒狀，相數(shù)量較多，且大都呈枝晶狀，與金屬型鑄造試樣的飛邊的微觀組織相近，但組織更為細(xì)小。圖3.7 不同粒徑的過噴粉末中初生硅平均尺寸y = 0.6197x0.430901234567050100150200Diameter of overspray power(m )Average size of siliconcrystal(m )adda_初生硅相的平均尺寸 D過噴粉末的直徑da=0.6197D 0.4309 （1） 隨著過噴粉末粒徑的增大，其初生硅相的平均尺寸加大，通過圖象分析測(cè)量不同粒徑的過噴粉末的初生硅尺寸，結(jié)果如圖3.9，

8、數(shù)學(xué)回歸得出過噴粉末的粒徑與符合如下擬合方程：3.4 噴射沉積過共晶鋁硅合金凝固過程和機(jī)理分析 在噴射沉積過程中熔體經(jīng)歷了飛行階段快速冷卻和沉積階段慢速冷卻兩個(gè)不同的冷卻階段，熔體在飛行階段的冷卻速度可以達(dá)到103-105K/s ，而沉積階段的冷卻速度小于10K/s。 22mii2)dln()d(ln(exp21dP020406080100120140160180200024681012Weight percent%Droplet diameter(m)mushy1dmDs*DL*圖3.8 霧滴粒徑分布示意圖1） 飛行階段霧滴的狀態(tài)分析 霧滴的粒徑分布基本符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律：（2） 粒徑不同

9、的霧滴在飛行階段所受到的冷卻作用是不相同的，大粒徑霧滴冷卻慢，小粒徑霧滴冷卻快。其凝固程度不同。 存在臨界粒徑的霧滴：沉積時(shí)刻全固相霧滴的臨界粒徑DS* 和沉積時(shí)刻全液相霧滴的臨界粒徑DL* 。)TT(cHU/L)TT(h6DEssmmave0gE*S)TT(cU/L)TT(h6DNsLmave0gN*LDDS* 小粒徑的霧滴在飛行階段全部凝固，其凝固組織應(yīng)與過噴粉末的凝 固組織一致，由初生硅、（+Si）共晶體和枝晶狀相組成 。 DS*DDL* 大粒徑的霧滴在飛行階段不發(fā)生凝固 m合金液的密度； Hm結(jié)晶潛熱；TE、Tg、TN分別是共晶溫度、氣體溫度和形核溫度；fs已結(jié)晶出的固相分?jǐn)?shù)；L0飛行

10、距離；Uave霧滴的平均速度；CL、CS分別為固/液混合體、液相和固相的比熱；h結(jié)晶潛熱。（3）（4）2）沉積階段不同狀態(tài)的霧滴的行為 V1V2V312345LiquidSemi-solidSolidMushy圖3.9 霧滴沉積在半固態(tài)層的過程示意圖DDL*DS*DDL* DDS* 全液態(tài)霧滴（圖中的1號(hào)），沉積在沉積體表面時(shí)，由于撞擊作用而產(chǎn)生極大的鋪展，與沉積體表面半固態(tài)層的液相溶為一體，并且填補(bǔ)沉積在表面的全固態(tài)霧滴或高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)霧滴之間的空隙，起填補(bǔ)和粘連作用，使沉積體獲得一定的致密度； 中等粒徑的霧滴（圖中的2號(hào)），在飛行階段發(fā)生部分凝固，沉積時(shí)刻處于半固態(tài)狀態(tài)，撞擊沉積體表面將

11、會(huì)產(chǎn)生一定程度的半固態(tài)流變變形，這種狀態(tài)的霧滴的數(shù)量占多數(shù)，對(duì)沉積體凝固起主導(dǎo)作用； 小粒徑全固態(tài)霧滴，射入沉積體表面的半固態(tài)層中，被半固態(tài)層和后續(xù)沉積下來的高溫霧滴重新加熱，其溫度回升，有可能發(fā)生局部重熔，也有可能作為剩余液相凝固的結(jié)晶核心（或母相），對(duì)沉積體凝固組織有細(xì)化的作用。3）霧滴凝固組織中枝晶狀的形成機(jī)制Tem660EDCBAEutectic growth areaC0CLAlSi1414577SiPhase 99.83C0 CLi 飛行階段凝固的霧滴組織一個(gè)重要的特征是凝固組織中出現(xiàn)了大量的枝晶狀相，認(rèn)為這種相是由于初生硅相析出時(shí)，固液界面的擴(kuò)散層內(nèi)溶質(zhì)的不均勻分布所引起的。 因

12、初生硅相的硅含量高達(dá)99.83%，幾乎是純硅相，硅相生長需要大量的硅原子或鋁原子擴(kuò)散遷移，而快速凝固條件下，溶質(zhì)的擴(kuò)散成為晶體生長的限制環(huán)節(jié)，溶質(zhì)元素來不及擴(kuò)散，在固液界面上產(chǎn)生一貧硅層。 對(duì)于成分為C0的合金在析出初生硅相后，固液界面上貧硅層中的液相可能在如圖3.10的E點(diǎn)形核生長出枝晶狀的相圖3.10 Al-Si二元合金相圖和共晶共生區(qū) 圖3.11 初生硅固液界面上貧硅區(qū)示意圖 4）噴射沉積過共晶鋁硅合金典型組織形成機(jī)制存在兩種機(jī)制（a)小粒徑霧滴的共晶體重熔與粗化機(jī)制 對(duì)于小粒徑全固態(tài)霧滴沉積時(shí)嵌入半固體層，其溫度回升，霧滴將會(huì)發(fā)生局部重熔，首先熔化的是（+Si）共晶體。相和初生硅可能熔

13、化或溶解。圖3.12 噴射沉積Al-20wt%Si坯料靠近基板位置的微觀組織嵌入沉積體表面全固相顆粒在沉積階段慢速冷卻的條件下還可能以共晶硅粗化方式進(jìn)行組織演變，小尺寸的共晶硅溶解，大尺寸共晶硅不斷長大，以致于在最后沉積體組織中與先析出的初生硅難于區(qū)分開來 。 從圖3.12靠近基板位置能觀察到一些球形的區(qū)域，是因靠近沉積基板處冷卻速度快，半固態(tài)層的溫度低凝固時(shí)間短，其原有的形態(tài)仍能保持下來。（b)離異共晶機(jī)制 沉積體的剩余液相接近共晶成分，在沉積體緩慢冷卻的條件下這些剩余共晶液相不必進(jìn)行共晶形核，而是依附已有的硅相和相離異生長。 這種離異共晶轉(zhuǎn)變有兩個(gè)必要條件，必須有大量的硅相和相存在，硅顆粒

14、的平均自由程要?。槐仨氃诒容^緩慢的冷卻條件下，實(shí)現(xiàn)原子的充分?jǐn)U散。PowerDWT-702581Sample圖3.13 過噴粉末部分重熔實(shí)驗(yàn)示意圖 過噴粉末部分重熔實(shí)驗(yàn)證明了離異共晶機(jī)制。 實(shí)驗(yàn)采用重熔控溫設(shè)備如圖3.13所示，該設(shè)備是由校正熱電偶的設(shè)備改裝而成，其控溫精度可達(dá)1，將噴射沉積Al-30wt%Si過共晶鋁硅合金過噴粉末在此設(shè)備迅速升溫至581，保溫時(shí)間為60s使其均勻化，然后緩慢冷卻至室溫，冷卻速度控制在510K/s 。 實(shí)驗(yàn)觀察過噴粉末部分重熔后前后組織變化。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，存在于過噴粉末中的共晶組織在部分重熔后消逝，如圖3.14所示。證明在沉積階段慢速冷卻條件下，沉積體表面的

15、液相的共晶凝固是以離異共晶的方式進(jìn)行，因此在噴射沉積坯料的凝固組織中沒有典型的共晶組織。圖3.14 Al-30wt%Si合金過噴粉末部分重熔前后的組織 (a) 重熔前 (b)重熔后4.1 半固態(tài)觸變成形設(shè)備與方法 半固態(tài)觸變成形實(shí)驗(yàn)是如圖4.1所示半固態(tài)成形試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行，該設(shè)備最大壓力為10噸。本實(shí)驗(yàn)選定選定的觸變成形溫度：581。 半固態(tài)擠壓壓力：20-40Mpa；擠壓速度：0.96m/s；壓室預(yù)熱溫度：100-200。 按照成形件的體積大小，從沉積坯料上截取適當(dāng)?shù)某叽绱笮〉呐髁?，在電阻加熱爐中進(jìn)行二次加熱。在坯料埋置一熱電偶，監(jiān)測(cè)試樣的加熱溫度，500前快速加熱，500后，慢速加熱。 4

16、噴射沉積過共晶鋁硅合金的半固態(tài)觸變成形噴射沉積過共晶鋁硅合金的半固態(tài)觸變成形圖4.1 半固態(tài)觸變成形裝置示意圖1-鎖型缸 2-橫梁 3-壓型 4-壓室 5-壓射缸 6-傳感器 7-底座4.3 噴射沉積過共晶鋁硅合金的觸變成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）半固態(tài)漿料具有很好的流動(dòng)性和充填性能。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過共晶鋁硅合金漿料進(jìn)入分型面上很小的縫隙中，形成飛邊毛刺，實(shí)驗(yàn)測(cè)量最小飛邊厚度僅為0.06mm，如圖4.2 是半固態(tài)成形試樣的實(shí)物照片，半固態(tài)漿料在分型面上0.2-0.4mm厚度的縫隙中流動(dòng)長度約60 mm，形成較大的飛邊，微觀檢查表明在這些飛邊中仍有很細(xì)小的初生硅相，證明這種飛邊并不是半固態(tài)中純液相流動(dòng)的結(jié)果，而

17、是硅相與共晶液相的混合漿料流動(dòng)的結(jié)果。如圖4.2(b)所示。圖4.2 噴射沉積Al-30wt%Si合金成形試樣實(shí)物照片 (a) 和其微觀組織 (b)(a)(b)漿料流動(dòng)方向2）噴射沉積過共晶鋁硅合金坯料半固態(tài)觸變成形的阻力小，實(shí)際成形壓力比熱擠壓降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。3）在實(shí)驗(yàn)觸變成形溫度下具有良好的形狀保持性，在半固態(tài)狀態(tài)下可以很方便地搬運(yùn)。4)半固態(tài)觸變成形后微觀組織中硅相的分布更為均勻，在沉積態(tài)組織中極個(gè)別的微區(qū)能發(fā)現(xiàn)硅相集聚區(qū)，如圖4.3（a）所示，而在半固態(tài)觸變成形試樣的微觀組織中這種現(xiàn)象有所改善。 圖4.3 噴射沉積Al-30wt%Si合金觸變成形前后的微觀組織 (a)成形前 (b)成

18、形后5 噴射沉積過共晶鋁硅合金的磨損性能5.1 磨損實(shí)驗(yàn)方法 磨損實(shí)驗(yàn)在ML10銷盤式磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。設(shè)備如圖5.1是該設(shè)備的示意圖。磨損方式為干磨，磨損性能衡量標(biāo)準(zhǔn)為失重法。Controllerloadholdersamplediskrevolver 對(duì)磨金屬盤采用45鋼。硬度為22.8 HRC，尺寸為1268mm。 轉(zhuǎn)速為120r/min。 試樣尺寸為622mm。 磨損前后試樣經(jīng)酒精清洗干凈后，采用DT100萬分之一光電天平稱重，為保證實(shí)驗(yàn)的精度，每次個(gè)試樣都要進(jìn)行預(yù)磨30分鐘，以保證試樣與轉(zhuǎn)盤充分接觸。圖5.1 磨損設(shè)備示意圖11.55.639.066.7324.1321.3942.1

19、8051015202530354045平衡凝固 耐火磚型鑄造 金屬型鑄造 噴射沉積 觸變成形 relative wear resistance to P30Al-30SiAl-20Si5.2 磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同試樣的磨損失重，按=1/W式計(jì)算出試樣的耐磨性，并且分別計(jì)算出相對(duì)于Al-30wt%Si合金爐冷試樣的相對(duì)耐磨性。磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.2，可以看出： 1）對(duì)于同種成分的合金，隨著凝固時(shí)冷卻速度加快，凝固組織中初生硅或硅相尺寸減小，合金的耐磨性顯著增加，噴射沉積Al-30wt%Si合金的耐磨性是金屬型鑄造試樣的7倍多，是耐火磚型鑄造試樣的28倍多，是近平衡凝固試樣的42倍多；圖5.2

20、磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果2）金屬型鑄造Al-20wt%Si合金的耐磨性優(yōu)于金屬型Al-30wt%Si合金，說明在常規(guī)金屬型鑄造條件下，硅含量的增加，過共晶鋁硅合金耐磨性下降； 3）噴射沉積Al-30wt%Si合金的耐磨性是噴射沉積Al-20wt%Si合金的1.75倍，這說明在相同噴射沉積條件下，隨著硅含量的提高，過共晶鋁硅合金的耐磨性提高。 用掃描電鏡對(duì)磨損試樣的磨面形貌進(jìn)行觀察表明不同條件下制備的過共晶鋁硅合金的磨損表面的形貌存在很大差別：1）爐冷試樣和耐火磚鑄造試樣的磨面出現(xiàn)較多的尺寸較大的剝落坑，大部分剝落坑呈長條狀，如圖5.3（a）耐火磚型鑄造試樣的磨面照片的A處，且爐冷試樣的剝落坑尺寸大于耐火磚

21、鑄造試樣，很顯然這是粗大的初生硅相在反復(fù)摩擦過程中斷裂而發(fā)生剝落所致，從圖3（a）還可以看出剝落坑底部硅相解理斷裂的痕跡。2）金屬型鑄造試樣磨面上也能觀察到這樣的剝落坑，但數(shù)量很少，尺寸較小，主要是犁溝磨痕，如圖5.3（b）所示。3）噴射沉積S20和S30試樣的磨面只觀察到犁溝磨痕，未觀察到剝落坑。如圖4（c、d）分別是噴射沉積Al-20wt%Si和Al-30wt%Si磨面照片，與金屬型鑄造試樣磨面相比較，其磨面更為平整，犁溝磨痕深度淺，寬度小。 5.3 磨損表面亞表層的觀察結(jié)果 (a)(b)(c)(d)A圖5.3 磨損表面的形貌(a)保溫磚型鑄造的Al-30wt%Si 合金 (b)金屬型鑄造

22、的Al-20wt%Si合金 (c)噴射沉積Al-20wt%Si 合金 (d)噴射沉積Al-20wt%Si 合金 磨損亞表層的金相照片，在爐冷試樣和耐火磚型鑄造試樣的磨面上存在初生硅相的剝落坑，圖5.4（a）的A處是初生硅相的剝落坑，并且剝落坑底部的裂紋沿圖示的箭頭方向向亞表層和縱深處繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到初生硅板條時(shí)，裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生改變，沿初生硅長度方向擴(kuò)展，多條裂紋擴(kuò)展連結(jié)，形成包圍圈后將會(huì)產(chǎn)生大塊剝落。圖5.4（b）是噴射沉積試樣S30的磨損亞表層的金相照片，可以看出其磨面比較平整，磨面上沒有觀察到剝落坑，這與SEM觀察結(jié)果相同，在磨面的局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有細(xì)小硅相的密集區(qū)，圖5.4（b）中B處，這可能與摩擦熱作用和局部絕熱應(yīng)變有關(guān)，由于噴射沉積過共晶鋁硅合金的+Si快速凝固組織中 固溶Si量高于平衡狀態(tài)固溶量，在摩擦