擠壓鑄造SiCw-Al-18Si復(fù)合材料凝固行為的研究.pdf

1、金屬基復(fù)合材料的凝固過程影響其組織結(jié)構(gòu)，特別是界面結(jié)合狀態(tài)。采用液相法制備金屬基復(fù)合材料的過程中，基體金屬在增強(qiáng)相存在情況下的凝固過程是影響其組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。復(fù)合材料的凝固行為至今還沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識，因此復(fù)合材料組分和凝固條件對其凝固行為的影響需要進(jìn)一步研究。本文以典型的鋁硅合金為研究對象，研究了增強(qiáng)相、變質(zhì)劑、冷卻速度和冷卻壓力對復(fù)合材料凝固過程中形核、長大和組織結(jié)構(gòu)的影響。
　　利用純鋁和單晶硅配制Al-18Si合金，采用A

2、l-10Sr合金作為變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理。以變質(zhì)前后的Al-18Si合金作為基體，以碳化硅晶須(SiCw)作為增強(qiáng)相，采用擠壓鑄造法制備體積分?jǐn)?shù)分別為15％、20%和25%的復(fù)合材料(SiCw/Al-18Si)。采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能譜分析(EDS)、差示掃描量熱法(DSC)等分析手段，研究了壓鑄態(tài)、重熔態(tài)和定向凝固狀態(tài)下復(fù)合材料的顯微組織，分析了復(fù)合材料的初晶硅和鋁硅共晶相的形核與長大過程

3、。
　　組織觀察和理論計(jì)算表明，SiCw作為SiCw/Al-18Si復(fù)合材料中初晶硅相的形核襯底。初晶硅相沿著SiCw表面生長，初晶硅相與SiCw的界面結(jié)合較好。通過計(jì)算，(211)SiC∥(110)Si之間的面錯配度為6.18%，(110)SiC∥(111)Si之間的面錯配度為7.65%。SiCw含量、變質(zhì)劑Sr、重熔溫度、冷卻速度、冷卻壓力等不改變復(fù)合材料基體合金中初晶硅相的形核位置。
　　隨著SiCw體積分?jǐn)?shù)不斷增加，

4、壓鑄態(tài)SiCw/Al-18Si復(fù)合材料的初晶硅、鋁硅共晶相的尺寸逐漸變小，分布趨于均勻。SiCw對初晶硅相的影響大于對鋁硅共晶相的影響。初晶硅凝固起始溫度和峰值溫度隨SiCw含量的增加而降低，且初晶硅的數(shù)量逐漸減少。以未變質(zhì)鋁硅合金為基體的復(fù)合材料的初晶硅凝固起始溫度和峰值溫度隨SiCw含量變化的幅度大于以變質(zhì)鋁硅合金為基體的復(fù)合材料相應(yīng)的溫度變化幅度。
　　變質(zhì)劑Sr的加入使SiCw/Al-18Si復(fù)合材料中的初晶硅由片狀或雪花

5、狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀或顆粒狀，平均尺寸縮小為原來的1/10~1/6。變質(zhì)劑Sr使復(fù)合材料中鋁硅共晶組織由粗條狀、短棒狀且成堆密集狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)短條狀或顆粒狀且均勻彌散分布，共晶組織尺寸分布范圍縮小。變質(zhì)劑Sr使復(fù)合材料初晶硅凝固起始溫度和峰值溫度降低，初晶硅數(shù)量減少。
　　變質(zhì)劑Sr與SiCw協(xié)同作用時，基體合金的細(xì)化效果更加明顯。變質(zhì)劑Sr的加入使由SiCw形成的小塊熔融區(qū)對基體合金凝固組織的限制作用減弱。同時SiCw減弱了變質(zhì)劑Sr對

6、復(fù)合材料凝固溫度、過冷度以及初晶硅相分布的影響。
　　隨著冷卻速度的增加，SiCw/Al-18Si復(fù)合材料中初晶硅明顯被細(xì)化，形貌由樹枝狀和雪花狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)絮狀和顆粒狀。當(dāng)冷卻速度為100~1000/min℃時，初晶硅呈顆粒狀和棒狀的混合態(tài)。隨著冷卻速度的增加，顆粒狀的初晶硅數(shù)量減少，棒狀初晶硅數(shù)量增加、長徑比逐漸增大。當(dāng)冷卻速度達(dá)到3570/min℃時，初晶硅均呈現(xiàn)長棒狀。冷卻速度對鋁硅共晶組織影響不大。隨著冷卻速度的增加，

7、SiCw/Al-18Si復(fù)合材料中初晶硅和鋁硅共晶相的形核過冷度增大，凝固潛熱逐漸增加。變質(zhì)后復(fù)合材料的凝固潛熱大于未變質(zhì)的復(fù)合材料的凝固潛熱。隨著SiCw體積百分含量的逐漸增加，復(fù)合材料凝固潛熱逐漸變小。
　　冷卻壓力改變了SiCw/Al-18Si復(fù)合材料中初晶硅和鋁硅共晶相的大小。壓力為0~30MPa時，初晶硅和鋁硅共晶相的尺寸隨著壓力增加不斷減??；當(dāng)壓力為30~50MPa時，隨著壓力的逐漸增加，初晶硅和鋁硅共晶相的尺寸逐漸變