Al-SI-Fe中間合金研制及其促進鋁硅合金中的硅相形核機制研究.pdf

1、熔體中固相晶體形成是一個以形核為開端的一級相變過程。形核決定了最終晶體的形貌和尺寸分布，進而決定了晶體的各種功能和性能。以Al-Si合金熔體的凝固過程為例，鋁相（包括初生鋁和共晶鋁）或者硅相（包括初生硅和共晶硅）的形核難易程度通過對相應晶粒尺寸和形貌的影響決定了合金的各種性能，包括:力學性能、耐蝕性能等。因此，工業(yè)生產(chǎn)中往往對Al-Si合金熔體的形核過程施加影響，以期調(diào)控鑄件的性能?；诮?jīng)典形核理論，熔體中的形核方式包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)

2、形核兩種方式。基于非均質(zhì)形核理論，為了實現(xiàn)對鑄件凝固組織的優(yōu)化通常向熔體中添加晶種材料（細化劑或孕育劑），促進熔體異質(zhì)形核，細化鑄件晶粒。然而，本文通過系統(tǒng)實驗發(fā)現(xiàn)Al-Si熔體中存在超出經(jīng)典形核理論范疇的形核機制-基于團簇聚合的形核機制，并且其可以用來調(diào)控凝固組織。
　　首先，通過系統(tǒng)研究Al-Si-Fe合金凝固行為，提出誘導團簇聚合形核機制發(fā)生的方式。鐵元素是Al-Si合金中不可避免的雜質(zhì)元素，長期以來一直被視作有害元素。但是

3、以Al、Fe、Si三種元素構成的β-Al5FeSi相被發(fā)現(xiàn)可以作為初生硅的形核基底，從而提供了一種利用鋁硅合金中鐵元素促進形核的方式。通過計算相圖等手段，并結合固相XRD，SEM，TEM等表征方法，確定了一種可以通過外加方式促進鋁硅熔體中硅相形核的孕育劑——Al-Si-Fe中間合金。進一步結合中間合金凝固過程中的原位XRD，闡明了中間合金在加入到Al-Si合金熔體中的結構演變方式。在中間合金的原位XRD中，液相線以上主峰之前出現(xiàn)了對應于

4、(AlFeSi)團簇的預峰，預峰的位置與α-Al8Fe2Si相的衍射峰吻合很好，而與β-Al5FeSi相的衍射峰差異很大。因此，中間合金加入到Al-Si熔體中將發(fā)生如下結構演變:β-Al5FeSi→α-Al8Fe2Si→(AlFeSi)團簇。
　　其次，研究了Al-Si-Fe中間合金對Al-20Si熔體初生硅細化效果與熔體溫度和保溫時間之間的關系。Al-20Si熔體在780℃孕育處理并保溫不同時間，凝固組織中初生硅尺寸隨著保溫時間

5、(60min，120min，180min)的增加而增大，并且孕育效果最終喪失。在800℃和850℃孕育并保溫60min，凝固組織中初生硅分別表現(xiàn)出細化和不細化。在700℃、750℃、800℃孕育并保溫15min，凝固組織中初生硅隨著保溫溫度的升高輕微的變大。在孕育處理后的硅顆粒中可以發(fā)現(xiàn)高密度的未知納米貧鐵顆粒。顯然，從中間合金中演變而來的(AlFeSi)團簇是促進硅相形核的關鍵因素，并最終演變?yōu)楣桀w粒中貧鐵納米顆粒。
　　最后，

6、研究了Al-Si-Fe中間合金對Sr變質(zhì)的Al-10Si熔體中共晶團的細化效果，并結合Sr變質(zhì)機制，提出了中間合金促進硅相形核的機制-基于團簇聚合的形核機制。Sr變質(zhì)的Al-10Si熔體經(jīng)過Al-Si-Fe中間合金進一步孕育處理可以將共晶團尺寸從1450μm降低至350μm。但是在Sr的變質(zhì)作用喪失之前，共晶團尺寸始終不能恢復到未變質(zhì)條件下的水平（＜100μm），并且共晶團尺寸隨著Sr含量的降低而逐步降低。在變質(zhì)并孕育處理的合金中，硅顆

7、粒中存在高密度的10nm左右的納米顆粒，但是在(111)Si晶面內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)孿晶存在。這些納米顆粒與Al-20Si合金中發(fā)現(xiàn)的一致，是由(AlFeSi)團簇演變而來?；赟r變質(zhì)的雜質(zhì)誘導孿晶理論，Sr變質(zhì)總是伴隨著硅顆粒(111)Si晶面上出現(xiàn)高密度的孿晶。在本文中孕育處理后孿晶消失被認為是由于孕育處理改變了硅顆粒從熔體中形核長大的方式，即不再唯一依賴單原子向晶胚或晶體上的附著?；谝陨戏治鎏岢隽嗽杏幚砗蠊柘嗷趫F簇聚合的形核方式:中

8、間合金加入到Al-Si熔體中演變?yōu)?AlFeSi)團簇，誘導硅原子在(AlFeSi)團簇表面富集，進而導致(AlFeSi)團簇中鐵原子擴散到熔體中，從而形成了富含硅原子并包含鋁原子但貧鐵的前驅體，這些前驅體和熔體中剩余孤立硅原子聚集形成晶胚并依靠他們的不斷向晶胚（晶體）附著實現(xiàn)硅顆粒的長大。由于Sr變質(zhì)改變了Al-Si熔體結構，阻礙了硅原子團聚行為依照正常水平進行，進而延遲了(AlFeSi)團簇發(fā)揮作用的溫度節(jié)點。在這種條件下，孕育處理