高硅鋁合金中TiP的演變行為與初晶Si復(fù)合形核研究.pdf

1、本文采用兩種方法提高初晶硅異質(zhì)形核效率，實現(xiàn)高硅Al-Si合金有效細(xì)化。一種是制備高含磷量的Si-Ti-P系中間合金，分析中間合金的相組成及其在Al-Si熔體中的演變過程，并以此為依據(jù)設(shè)計Si-Ti-P系中間合金的使用參數(shù)。對比Cu-14P、Al-3P、Si-Ti-P系中間合金對Al-27Si合金的細(xì)化效果，并討論磷細(xì)化處理對Al-27Si合金的熱膨脹系數(shù)和拉伸性能的影響。另一種是改進(jìn)細(xì)化工藝，同時引入AlP和TiB2粒子，驗證TiB2

2、@AlP復(fù)合粒子對Al-45Si合金的細(xì)化效果，并提出吸附形成機制。
　　本文主要研究工作如下:
　　(1)Si-Ti-P系中間合金在Al-Si熔體中的演變行為
　　分析了Si基合金中磷化物的存在形式。研究發(fā)現(xiàn)，通過向Si-Mn-P合金中引入過渡族金屬元素Ti、Fe、Cu，可促使原Si-Mn-P合金中的磷化合物發(fā)生轉(zhuǎn)變。在Si-P系合金中，過渡族金屬元素的“固磷”效果不同。Si-Ti-P系中間合金中，磷化物主要為TiP

3、相。在Al-Si熔體環(huán)境下，中間合金中的TiP相與Al-Si熔體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物為AlP和(Al，Si，Ti)三元化合物。
　　研究發(fā)現(xiàn)，TiP相與Al-Si熔體間會發(fā)生化學(xué)勢差驅(qū)動的液-固擴散反應(yīng)。將Si-Ti-P系中間合金加入到Al-Si熔體后，硅基體首先熔解，使TiP相與鋁熔體接觸。在化學(xué)勢差驅(qū)動下，TiP演變?yōu)锳lP，此演變的反應(yīng)速率受擴散控制。因此使用Si-Ti-P系中間合金細(xì)化處理Al-Si熔體時，需要一定的保溫時間來獲

4、得較好的細(xì)化效果。提高反應(yīng)溫度，增加熔體對流等可加快TiP相向AlP相演變，縮短保溫時間。
　　(2)Si-Ti-P系中間合金對過共晶Al-Si合金的細(xì)化行為
　　與Cu-14P和Al-3P相比，使用Si-Ti-P系中間合金細(xì)化后的Al-27Si合金中初晶硅尺寸更細(xì)小，形狀更規(guī)整，分布更均勻。通過Si-Ti-P系中間合金向Al-27Si熔體中加入350ppm磷，在850℃保溫20分鐘，初晶硅尺寸可細(xì)化至14.7±1.3μm。

5、
　　對磷細(xì)化前后的Al-27Si合金進(jìn)行熱膨脹系數(shù)和拉伸性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)磷細(xì)化處理有助于降低Al-27Si合金的熱膨脹系數(shù)并提高合金的拉伸性能。使用Si-Ti-P系中間合金細(xì)化處理Al-27Si合金后，合金的熱膨脹系數(shù)降至16.25×10-6/K。與未細(xì)化的合金相比，極限拉伸強度和延伸率分別提高106％和235％。
　　(3)AlP復(fù)合粒子對高硅Al-Si合金的細(xì)化行為
　　完善了TiB2@AlP形成機制，驗證了T

6、iB2@AlP粒子對Al-45Si合金中初晶硅的細(xì)化效果。在Al-Si熔體中，P原子傾向于吸附在TiB2表面形成富磷的吸附層，在過冷度的驅(qū)動下富磷吸附層轉(zhuǎn)變?yōu)锳lP，形成復(fù)合的TiB2@AlP粒子。密度泛函理論計算顯示，P原子更易于被吸附在以Ti終止的(0001)TiB2界面上，并且傾向于靠近Ti原子。與單獨引入AlP相比，引入TiB2@AlP粒子對Al-45Si合金有更好的細(xì)化效果。在1300℃保溫5分鐘后，初晶硅尺寸可細(xì)化至30.1