鋁合金中Mg2Si相演變行為及析出長大機制的研究.pdf

1、本文利用高倍視頻顯微鏡(HSVM)、電子探針(EPMA)、場發(fā)射掃描電鏡(FSEM)、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、常規(guī)透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)和三維原子探針(APT)等分析測試手段對鋁合金中Mg2Si相的演變行為與析出長大機制進行了研究。研究了Al-Mg2Si-(Si)合金的凝固過程及組織演變規(guī)律；分析了Al-4％Mg-0.5％Si-1％Cu合金固溶時效過程中納米沉淀析出相的演變過程及Ag對

2、演變行為的影響；建立了初生Mg2Si相的生長模型，揭示了其不同形貌間的相互轉(zhuǎn)化機制，實現(xiàn)了對其形核與生長的控制；通過引入Ni以形成NiAl3相改變合金凝固過程，促使了共晶Mg2Si長大方式的改變，從而改善了其微觀組織。全文的主要結(jié)論如下：
　　 (1)Al-Mg2Si-(Si)合金凝固過程及組織演變規(guī)律
　　 根據(jù)Al-Mg2Si-(Si)合金相圖和實驗結(jié)果：對于亞共晶Al-Mg2Si合金，凝固過程可表示為：L→(α-A

3、l)P+(Al+Mg2Si)E，共晶Mg2Si三維形貌為板片狀或棒狀；對于過共晶合金，凝固過程可表示為：L→Mg2Sip+(Al+Mg2Si)E，初生Mg2Si則呈現(xiàn)出多種形貌：完整八面體、平截八面體、漏斗晶以及粗大的枝晶。過共晶Al-Mg2Si合金中含有少量過剩Si時，在其凝固后期會發(fā)生三元共晶反應，其凝固過程可表示為：L→Mg2Sip+(Al+Mg2Si)E+(Al+Mg2Si+Si)E。
　　 (2)Al-4％Mg-0.5

4、％Si-1％Cu合金時效硬化過程中納米析出相的演變及Ag對其演變行為的影響。
　　 經(jīng)5200C固溶淬火后，合金中共晶Mg2Si部分固溶于基體中。在200℃等溫時效過程中，沉淀析出相主要為短棒狀GPB(Guinier-Preston-Bagaryatsky)區(qū)和板條狀S相(Al2CuMg)，固溶的Si則起到了穩(wěn)定GPB區(qū)的作用。Ag的加入顯著改變了合金沉淀析出相的演變過程，促使了板塊狀Z相的形成且沿{111}Al慣析面析出(成分

5、為Al：～38 at.％，Mg：～32 at.％，Cu：～20 at.％，Ag：～10 at.％)，并抑制GPB區(qū)向S相的轉(zhuǎn)變。
　　 固溶溫度從520℃升高至560℃，使得更多的Si固溶到鋁基體中(由0.06 at.％增加到0.13 at.％)。在后續(xù)時效過程中，較高固溶含量的Si促進了合金中更高密度GPB的析出，同時Ag的存在促使Z相析出的同時又抑制GPB向S相的轉(zhuǎn)變，高密度的GPB和Z相共同作用使合金表現(xiàn)出更加顯著的硬化效

6、應。
　　 (3)初生Mg2Si生長模型的建立與不同形貌間的相互轉(zhuǎn)化機制。
　　 從晶體結(jié)構(gòu)分析，MgESi屬于反螢石結(jié)構(gòu)，傾向于形成表面自由能低的完整八面體。在生長過程中，優(yōu)先沿著<100>方向生長，<111>方向生長速度最慢，隨著晶體的長大，{100)和{110}面逐漸消失，形成八面體的頂點和棱邊，密排{111}面被保留下來，成為八面體的顯露面。
　　 在實驗的合金熔體環(huán)境中，由于傳熱、傳質(zhì)和雜質(zhì)元素等因素的

7、影響，Mg2Si<100>和<111>方向的生長相對速度發(fā)生改變，從而使得晶體形成八面體漏斗晶、平截八面體或立方體。合金中Mg2Si含量較高時，優(yōu)先生長方向<100>的生長速率會加快，沿著<100>方向形成一次主干，并在垂直于一次主干的<100>方向形成二次分枝。在生長過程中，生長單元發(fā)生部分重疊、聚合現(xiàn)象，從而形成多種形貌特征的Mg2Si樹枝晶。
　　 通過向合金熔體中加入Al-P、Al-Ti-B中間合金，增加Mg2Si的形核

8、質(zhì)點，降低熔體的過飽和度，實現(xiàn)了初生Mg2Si由粗大枝晶向細小八面體或平截八面體的轉(zhuǎn)變。并由Turnbull-Vonnegut公式計算得到AlP的(220)晶面和Mg2Si的(311)晶面的錯配度為6.58％，TiB2的(001)和Mg2Si的(200)晶面的錯配度為4.64％，從結(jié)構(gòu)上證明了AlP和TiB2均可作為初生Mg2Si的良好形核襯底。并且進一步試驗發(fā)現(xiàn)，AlP和TiB2可形成耦合粒子共同作為初生Mg2Si的形核核心，促進Mg

9、2Si的析出。
　　 (4)Al-Mg2Si-NiAl3合金凝固組織的演變及NiAla對共晶Mg2Si長大方式的影響
　　 通過Thermo-calc軟件計算得到了Al-Mg2Si-NiAl3偽三元共晶合金相圖，并對其凝固過程和微觀組織進行了分析。計算得到三元共晶反應成分點為Al-12.1％Mg2Si-8.4％NiAl3，平衡條件下反應溫度為587.05℃。在Al-15％Mg2Si-NiAl3體系中，存在兩個成分拐點，分

10、別是7.9％NiAl3和13.1％NiAl3。當合金中的NiAl3含量較少時(<7.9％)，NiAl3只存在于(Al+Mg2Si+NiAl3)E三元共晶中；而當NiAl3含量位于7.9％與13.1％之間時，會出現(xiàn)(Mg2Si+NiAl3)E二元共晶；繼續(xù)增加NiAl3含量(>13.1％)，初生NiAl3析出。當合金中(Al+Mg2Si)E二元共晶全部轉(zhuǎn)變成(Al+Mg2Si+NiAl3)E三元共晶組織時，共晶NiAl3傾向于形成界面能較