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1 前言
高硅铝合金是一种轻质、低膨胀和高耐磨材料,在汽车、电子及航空航天领域具有广泛的应用前景,但是合金中Ｓｉ含量过高(超过共晶成分)和含Ｆｅ会形成粗大多角初晶硅和针状富铁相,给合金性能带来不利影响[1～4]。利用快速凝固技术制备这类合金,可使合金中硅相和富铁相得到细化,从而改善合金性能,特别是富铁相的存在对改善合金高温性能具有显著作用[5～7]。
2 合金制备及试验方法
合金设计成分为Ａｌ 17Ｓｉ 6Ｆｅ 4.5Ｃｕ 0.5Ｍｇ,利用铸锭冶金法熔炼母合金,利用超音速气体雾化法制备合金粉末,为防止粉末过度氧化,选用氮气作为雾化气体;利用热挤压法固结合金粉末,挤压前要对粉末进行包套密封和真空除气,挤压温度为450℃,挤压比14:1;挤压后对挤压坯进行Ｔ6处理,其工艺为:480℃×1ｈ加热固溶,水淬后重新加热到175℃×6ｈ人工时效。
利用Ｄ/ｍａｘ ｒＢ型Ｘ射线衍射仪对各种状态合金中相组成进行研究,Ｃｕ Ｋα衍射;组织分析在Ｓ 570扫描电镜和Ｐｈｉｌｉｐｓ ＥＭ420透射电镜上进行。合金拉伸性能测试在Ｓ 2000型万能电子拉伸试验机上进行,主要测试合金室温及高温抗拉强度和延伸率,拉伸试样采用板状比例试样,其标距内尺寸为5ｍｍ×1.5ｍｍ,标距长15.5ｍｍ。
3 试验结果及分析
3.1 粉末粒度分布及形貌特征
粉末粒度分布如图1所示,可以看出粉末分布相对比较均均,大部分集中在50～90μｍ之间,95%以上粉末尺寸小于100μｍ,平均尺寸仅为66μｍ左右,说明利用超音速气体雾化法制备此类合金粉末尺寸比较细小的,而且分布均匀。图1 音速气体雾化Ａｌ Ｓｉ合金粉末粒度分布图2所示为混合粉末及不同粒度粉末形貌ＳＥＭ照片,可以看出合金粉末形状基本呈不规则液滴状、椭球形或近似球形(图1(ａ))。粉末表面凹凸不平,并附带有许多卫星颗粒和毛刺(图1(ｂ)、(ｃ)),这种特征与粉末颗粒大小有关,随着颗粒尺寸的减小,表面凹凸不平程度逐渐减弱,卫星颗粒和毛刺逐渐细小且数量逐渐减少,一些尺寸非常小的颗粒,表面基本呈光滑状态,而且无卫星颗粒和毛刺附着(图1(ｄ))。
3.2 合金组织特征
3.2.1 合金粉末组织利用Ｘ射线衍射对不同粒度合金粉末物相组成进行分析,结果如图3所示。可以看出无论对任何粒度粉末而言,其物相组成基本相同,主要由α Ａｌ、β Ｓｉ、δ (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)及Ｑ Ａｌ4Ｃｕ2Ｍｇ8Ｓｉ7等相组成,其中α Ａｌ、β Ｓｉ、δ (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)相衍射峰较强,是合金中主要相。Ｑ相(Ａｌ4Ｃｕ2Ｍｇ8Ｓｉ7)衍射峰较弱,说明这种相在合金中含量很少。比较不同粒度粉末Ｘ射线衍射谱发现,基体α Ａｌ相和β Ｓｉ相衍射峰发生一定程度宽化,其宽化程度与粉末粒度有关,粒度越小宽化程度越大,随着粉末粒度的增大,衍射峰宽化程度有所减弱,其原因主要是由于受快速凝固的影响,α Ａｌ、β Ｓｉ过饱和固溶大量合金元素造成的。(ａ)混合粉末;(ｂ)>125μｍ;(ｃ)63～88μｍ;(ｄ)<38.5μｍ图2超音速气雾化Ａｌ Ｓｉ合金粉末形貌(ＳＥＭ)图3 不同粒度粉末Ｘ射线衍射图谱 图4所示为不同雾化粉末内部微观组织ＳＥＭ照片,其基本特征为基体上均匀分布细小颗粒相和针状相。这种组织特征与粉末颗粒大小有很大关系,颗粒尺寸较大,组织中针状相和颗粒相比较发达(图4(ａ)),颗粒尺寸相对较小,其组织中针状相和颗粒相也比较细小,数量相对也少(图4(ｂ)),一些小尺寸颗粒,其组织中颗粒相和针状相几乎完全消失,凝固组织见图4(ｃ)。能谱分析表明:颗粒相主要由Ｓｉ元素组成,同时含有一定量Ａｌ元素和少量Ｃｕ元素;针状相主要由Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ元素组成,同时含有少量Ｃｕ元素。与Ｘ射线衍射结果相对照,可以推断颗粒相主要为β Ｓｉ相,针状相为δ (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)。
3.2.2 合金挤压态组织及Ｔ6处理对它的影响(ａ)>125μｍ粉末;(ｂ)63～88μｍ粉末;(ｃ)<38.5μｍ粉末图4 合金粉末内部组织(ＳＥＭ)
图5所示为挤压态及热处理态合金Ｘ射线衍射结果,可以看出两种状态合金衍射线图谱基本相似,组织中能鉴定出的相主要有α Ａｌ、β Ｓｉ、β (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)、Ａｌ7Ｃｕ2Ｆｅ、Ｑ Ａｌ4Ｃｕ2Ｍｇ8Ｓｉ7等。
图6所示为挤压态及Ｔ6处理态合金组织ＳＥＭ照片,表明两种状态合金组织基本相似,基本特征为基体组织上分布有大量细小弥散颗粒相,由于其尺寸太小,因此无法用能谱鉴定其成分组成。但是相对于挤压态,经Ｔ6处理后合金组织发生明显的粗化。与粉末态合金相比挤压后合金中针状相完全消失。
为了更进一步了解这些第二相颗粒的真实形态和化学组成,利用透射电镜对挤压态和Ｔ6处理态合金组织进行研究,结果如图7所示。从中可以看出两种状态合金组织中第二相形态基本相似,但是经Ｔ6处理后第二相尺寸明显增大,与前述扫描电(ａ)挤压态;(ｂ)Ｔ6处理态图6 挤压态及Ｔ6处理态合金组织(ＳＥＭ)镜组织分析结果相符。能谱表明这些不同形态相主要为β Ｓｉ、β (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)、Ａｌ7Ｃｕ2Ｆｅ、Ｑ Ａｌ4Ｃｕ2Ｍｇ8Ｓｉ7等,这点也与Ｘ射线衍射结果相一致,但是在透射电镜下还可以发现一种尺寸非常小的颗粒相,其成分主要由Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等元素组成,这种成分相在ＰＤＦ卡片中不能检索到。此外合金经Ｔ6处理后在基体上会沉淀析出一种细小针状相,而且在基体上呈一定方向性分布,因此可以推断这种相可能与基体保持某种的共格或半共格位向关系,其形态如图7(ｃ)所示,由于它的尺寸太细,无法用能谱和选区衍射分析其成分组成和相结构,但根据其形态及分布特征,结合合金成分特点可以推测这种细小针状相可能为θ′相(成分接近Ａｌ2Ｃｕ)或者Ｓ′相(成分接近Ａｌ2ＣｕＭｇ)。
3.3 合金拉伸性能
图8所示为两种状态快速凝固合金抗拉强度和伸长率随温度变化的曲线。可以看出,在室温下两种状态合金都具有较高的强度水平,挤压态强度约450ＭＰａ,经Ｔ6处理后强度有一定程度的提高,接近500ＭＰａ,这种强度水平在传统铸造铝合金中是根本无法达到的。但是合金室温伸长率很低,两种状态均为1%左右,与传统铸造铝合金相当。随着试验温度的升高,两种状态合金都是强度下降,伸长率增加。在150℃以内这种变化比较缓慢,超过150℃,变化特别明显。两种状态合金在300℃仍就能保持一定的强度水平,分别为110ＭＰａ和140ＭＰａ,伸长率接近13%。而对于传统铸造铝合金来说在如此高的温度下材料的强度几乎完全消失。
3.4 合金磨损特性对合金挤压态及Ｔ6处理态磨损特性进行测试并与ＺＬ109合金比较,结果如图9所示,表明挤压态及Ｔ6处理态合金耐磨性明显高于ＺＬ109合金,相对于挤压态经Ｔ6处理后合金耐磨性也有一定程度提高。
结论
(1)利用超音速气雾化法制备过共晶Ａｌ Ｓｉ Ｆｅ Ｃｕ Ｍｇ合金粉末,粒度比较细小且分布均匀。粉末表面凹凸不平。
(2)粉末态合金组织主要由细小颗粒和针状相组成。经鉴定:颗粒相为Ｓｉ相,而针状相为非平衡δ (Ａｌ,Ｆｅ,Ｓｉ)相。
(3)在ＳＥＭ下,挤压态和Ｔ6处理态合金组织基本相似,均为基体上分布有大量细小弥散第二相颗粒,经Ｔ6处理态后这些第二相颗粒有所粗化;在ＴＥＭ下这些颗粒相表现出块状、棒状、鹅卵石状大小不同的颗粒状等形态特征;相对于挤压态,Ｔ6处理后合金组织除了第二相颗粒有所长大外,还沉淀析出一种在基体上呈一定方向性分布的细小针状相,从它的分布特征判断,这种相可能与基体保持一定共格或半共格位向关系。(4)超音速气雾化Ａｌ Ｓｉ Ｆｅ Ｃｕ Ｍｇ合金,挤压态和Ｔ6处理态合金都具有较高的室温强度,抗拉强度分别约为450ＭＰａ和500ＭＰａ。相对于挤压态,Ｔ6处理后,合金强度有一定程度升高,但延伸率并不占优势。随着温度的升高,两状态合金强度都呈下降趋势,但在300℃时,合金仍就保持一定的强度水平,抗拉强度分别为110ＭＰａ和140ＭＰａ。
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