（材料学专业论文）喷射沉积alsi系耐热耐磨合金的组织及性能.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文以a 1 一s i 系合金为基础，通过添加多种合金元素来提高合 金的耐热、耐磨性能。采用喷射沉积快速凝固技术制各了 a 1 1 7 s i 5 f e 一2 n i 一3 5 c u 一1 m g 2 m n 一1 v 合金。分析了合金的微观组织 及形貌，测定了合金的热稳定性、拉伸性能及磨损性能。取得以下 主要研究成果： 喷射沉积工艺制备的a 1 s i 系合金组织均匀细小，初晶s i 相的 形状基本是颗粒状或块状。热挤压后合金组织十分致密，初晶s i 相弥散分布在基体上。t 6 热处理后的合金部分初晶s i 相尖角有所 钝化，弥散相的数量增加。挤压态合金在3 0 0 下等温处理不同时 间后，初晶s i 相没有明显长大：在不同温度等温处理1 2 h 时，直 至4 0 0 时初晶s i 相尺寸才有所增大。挤压后合金室温极限抗拉 强度达2 3 2 2 m p a ，t 6 处理后强度达2 7 1 3 m p a 。合金拉伸时裂纹 起源于初晶相本身及初晶相与基体结合处。在磨损1 0 0 m i n 后，干 摩擦条件下的高温磨损失重仅比常温提高了1 1 8 7 ；只是a 3 9 0 合金失重的6 0 0 2 ；润滑条件下，1 0 0 m i n 后高温磨损累积失重量 仅为a 3 9 0 合金失重的o 6 3 ，常温磨损未测出失重。 关键词：喷射沉积；a l s i 合金；显微组织；耐热性；耐磨性； 力学性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t m u l t i p l ea l l o y i n ge l e m e n t sa r e s e l e c t e dt oi m p r o v eh e a t a n d w e a r r e s i s t a n c eo ft h ea l s i a l l o y , w h i c h i s p r e p a r e d 。b ys p r a y d e p o s i t i o n ( s d ) ，ak i n do fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n ( r s ) t e c h n i q u e i t s c h e m i c a l c o m p o s i t i o n i sa 1 - 17 s i 一5 f e 一2 n i - 3 5 c u 一1m g 一2 m n lv m i c r o s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g i e so ft h ea l l o ya r e i n v e s t i g a t e d t h e r m a l s t a b i l i t y 、t e n s i l ep r o p e r t i e s a n dw e a r - r e s i s t a n c ea r e m e a s u r e d t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： m i c r o s t r u c t u r eo ft h es p r a y e da l l o yi se f f e c t i v e l yr e f i n e d t h e m o r p h o l o g yo ft h ep r i m a r y s i l i c o n p h a s e s i s m a i n l yg r a n u l a r o r b l o c k l i k e t h es i l i c o np h a s e sa r ed i s p e r s e di nt h em a t r i xa f t e rb e i n g e x t r u d e d 。v o l u m ef r a c t i o no ft h ed i s p e r s e dp h a s e si se n l a r g e d 。t h e r e i sn oe v i d e n tp h a s ec o a r s e n i n go fb s iw h e na s e x t r u d e d a l l o yi s h e a t e da t3 0 0 f o rd i f f e r e n td u r a t i o n s ；u n t i l4 0 0 c ，t h es i z eo f p r i m a r ys ip h a s e s i s l a r g e r t h a n b e f o r ew h e nh e a t e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r ef o r1 2 h e x t r u d e da l l o yh a sam a x i m u mt e n s i l es t r e n g t h o f2 3 2 2 m p aa tr o o mt e m p e r a t u r ea n d2 7 1 3 m p aa f t e rt 6t r e a t m e n t t e n s i l ec r a c k si nt h es da l l o yg e n e r a t ei ns i l i c o np h a s e so ra p p e a ra t i n t e r f a c e sb o u n d a r yb e t w e e nt h es i l i c o np h a s e sa n dm a t r i x s t u d yo f w e a r i n gb e h a v i o rr e v e a l s lt h a tw e i g h tl o s so ft h ea l l o ya te l e v a t e d t e m p e r a t u r ei si n c r e a s e db y 11 8 7 t h a nt h a to ft h ea l l o ya tr o o m t e m p e r a t u r ew i t hn ol u b r i c a n t ，a n dt h ev a l u ei s 6 0 0 2 a sm u c ha s a 3 9 0a l l o y s i ti st h es a m ec a s et h a tw i t ht h es da l l o ya n da 3 9 0 a l l o ya te l e v a t e dt e m p e r a t u r ew i t hl u b r i c a n t ，t h ed i f f e r e n c eo fw h i c h i st h a tc u m u l a t i v ew e i g h tl o s so ft h es da l l o yi s0 6 3 a sm u c ha s a 3 9 0a l l o y s w e i g h tl o s so ft h es da l l o yi s n e a r l yz e r oa tr o o m t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：s p r a yd e p o s i t i o n ；a l - - s ia l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；h e a t r e s i s t a n c e ；w e a r r e s i s t a n c e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 a 1 s i 系合金以其比重小、线膨胀系数低及耐磨性高等优点在航天 航空、汽车工业中被广泛用作结构材料。随着现代工业的发展，尤其是 汽车、电子业的发展，对a 1 s i 系合金的性能提出了更高要求，这主要 体现在进一步提高耐磨性、耐热性，降低线收缩率及密度等方面：在合 金成分上表现为高s i 含量及合金化。然而，采用传统的铸锭冶金技术 难以实现上述要求，限制了此类合金的应用。 自6 0 年代初，p d u w e z 使用“枪法”获得非晶态材料以来，人们 在快速凝固领域做了大量的研究开发工作，相继研制出几十种快速凝固 方法，采用这些技术，可以提高冷却速度，改善材料的组织和性能，从 而获得具有优异组织和性能的功能材料和结构材料。快速凝固技术对高 s i 铝合金初晶s i 相的细化效果十分显著，如果a 1 s i 合金成分设计上 再加入一定的耐热合金元素如f e 、n i 、cr 、v 等，既可形成新的耐热 相，也可利用合金元素降低相界面能和提高相间结合力等原理提高合金 的强度和耐热性，从而拓宽a 1 s i 系合金在工业中的应用范围。本文拟 采用喷射沉积快速凝固技术制备含多种合金元素的a 1 s i 系合金，并对 其组织和性能进行研究。 1 2 喷射沉积技术及发展概况 1 2 1 喷射沉积原理 喷射沉积( s p r a yd e p o s i t i o n ) ，又称喷射成形( s p r a yf o r m i n g ) ，喷 射铸造( s p r a yc a s t i n g ) ，在商业上则通称为奥斯普瑞工艺( o s p r e y p r o c e s s ) ，是2 0 世纪6 0 年代产生并经过几十年的发展而逐渐成熟的一 种快速凝固技术。在2 1 世纪冶金三大前沿技术一熔融还原、近终形加 工和半固态加工技术中，喷射沉积技术作为一种半固态近终形加工技 术，倍受国内外广大研究者的青睐【1 2 1 。喷射沉积的原理如图1 1 所示 【”。熔融金属经导流管流出，被雾化喷嘴出i ：1 的高速惰性气流破碎，雾 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 化为细小弥散的熔滴射流；雾化熔 滴射流在高速气流动量作用下加 速，并与气流进行强烈的热交换； 到达沉积表面以前，小于某一临界 尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较 大尺寸的仍然为液态，而中间尺寸 的熔滴则为含有一定比例液相的半 凝固颗粒：这些大小不同、凝固程 度不同的熔滴高速撞击沉积表面， 并在沉积表面附着、铺展、堆积、 熔合形成一个薄的半液态层后顺序 凝固结晶，逐步沉积生长成为一个 图1 1 喷射沉积的原理示意图3 l f i g 1 1d i a g r a mo f s p r a yd e p o s i t i o np r o c e s s l 3 】 大块致密的金属实体一沉积坯。遥过合理设计接收基体形状并控制其运 动方式，可从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征的圆锭、管坯、 板坯、圆盘等不同形状的沉积坯件。 喷射沉积快速凝固技术实际上是通过两个过程完成的【4 】：第一步 是采用喷射技术将合金液雾化成细小的液滴。这些液滴在飞行过程中散 热，获得一定的过冷度，甚至发生部分凝固。但在完成凝固之前在基板 上沉积被进一步冷却，发生凝固，完成第二个过程，即快速凝固过程。 1 2 2 喷射沉积技术的特点 与传统铸造、粉末冶金等其它材料成形和制备方法相比，喷射沉积 不仅有传统铸造一步成形的优点，而且有快速凝固冷却速度高的特点， 是一种介于铸造与粉末冶金之间的另一种金属成形工艺。综合起来，喷 射沉积技术主要特点如下： ( 1 ) 具有快速凝固材料的组织特点。熔融金属通过气体雾化后成 为液滴，沉积在收集器上形成近终形产品。消除了宏观偏析，制备的材 料晶粒组织细化，抑制了微观偏析，提高了合金组分间的固溶度，能有 效提高材料的力学性能。这就为新材料的研制及传统材料的性能改进提 辽宁工程技术大学硕士学位论文 供了一种新的思路。 ( 2 ) 合金性能比常规铸锻材料有较大提高( 如耐蚀、耐磨、磁性 各向同性及强度和韧性等) 且容易加工成型，甚至可以获得超塑性。而 同类材料经铸造成型后很难甚至几乎不可能再热加工成型。 ( 3 ) 杂质含量降低。喷射沉积过程中金属以熔滴存在的时间极短 ( 0 3 s ) ，且沉积大多是在惰性气体保护或真空中进行，避免了粉末冶 金因筛分、混粉、烧结、挤压过程带来氧化的可能性，也大大减少了杂 质混入的影响。 ( 4 ) 与粉末冶金相比其生产工序简单，成本低。喷射沉积工艺将 熔体的雾化和沉积成形两个过程合为一体，可以直接由液体金属制取快 速凝周预成形的毛坯。由于生产工序的减少，只需一套设备就可完成整 个生产，同其他工艺相比减少了固定资本占用，也反映了喷射沉积工艺 的经济优势。 ( 5 ) 提供了生产金属基复合材料的新方法。在喷射沉积过程中把 增强粒子引入金属雾化流中就能够在沉积器上得到金属基体复合坯。喷 射沉积过程快速凝固的特点减少了增强粒子与基体发生界面反应的可 能。 ( 6 ) 灵活性强。根据沉积器相对于雾化喷嘴的不同运动方式，可 生产出棒材、管材甚至带材，使生产具有很大的灵活性。在某些领域的 应用，可代替传统的粉末冶金。 1 2 3 喷射沉积的发展概况 19 6 8 年，英国s w a n s e a 大学的a r e s i n g e r 教授首先提出了喷射 沉积技术的概念和原理【5 6 1 ，并应用于铝合金的喷射成形。其应用的雾 化气体是压力为5 5 0 k n m 2 9 3 0 k n m 2 的氮气，雾化后的金属液滴直径 达到1 0 0 t t m 15 0 p m 。从1 9 6 9 年至1 9 7 7 年期间，s i n g e r 提出其他一些 喷射沉积概念和工艺方法，并申请了多项专利。这包括离心喷射沉积法， 同步喷射法和用于生产铝纂复合材料的共喷雾化技术。美国麻省理工学 院( m i t ) 的g r a n t 等人对喷射沉积的原理和应用作了深入的研究和探 院( m i t ) 的g r a n t 等人对喷射沉积的原理和应用作了深入的研究和探 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 讨，通过改善喷射沉积装置结构，严格控制工艺参数，形成了“液体动 态压实技术( l d c ) ”。其特点是气体雾化压力大，雾滴尺寸细小，冷却 迅速，可对雾化沉积过程的气体压力、熔体温度以及沉积层的温度分布 等参量进行测量和控制。他们利用l d c 法研究了不同成分合金的喷射 沉积组织和性能，并有过大量的报道。1 9 8 8 年，美国加州大学i r v i n e 分校的l a v e r n i a 7 1 等在金属喷射成形技术基础上，开发出制备金属基复 合材料的“喷射共沉积技术( s p r a yc o d e p o s i t i o n ) ”。l a w l e y 8 1 等提出 了“反应雾化成形技术( r e a c t i v es p r a yf o r m i n g ) ”，该技术将雾化成形 工艺和化学反应法制备复合材料技术结合在一起，用以生产性能更好的 金属基原位自生复合材料。与此同时，一些大学和研究所在喷射成形的 机制与模型化以及计算机控制方面，做了许多卓有成效的工作，如美国 m i ts y s t e mc o r p o r a t i o n 用计算机控制基板的多维移动制得复杂不对称 形状的工件。近年来麻省理工学院的c h u n 、p a s s o w 等人建立了一套新 型喷射沉积装置，可获得尺寸均一的雾滴，雾滴的运动速度、温度也都 相同。用这套装置容易控制金属质量流率和雾滴的状态，可更清晰地研 究喷射沉积工艺的内在机制。英国牛津大学的b e w l a y 和c a n t o r 等人对 雾化沉积过程的颗粒尺寸、气体速度及温度参量进行了实际测量和定量 描述，为深入研究雾化沉积过程提供更为直接的手段【9 1o 】。 金属喷射成形作为、一项工程技术出现在2 0 世纪7 0 年代”“! “。 英国o s p r e y 公司首先成功地将s i n g e r 提出的喷射沉积原理应用于锻造 毛坯的生产，并取得喷射技术的专利，这时该项技术才真正从实验室走 向实际生产。由于金属喷射成形具有明显的优点，在工业上已展现出良 好的应用前景，受到工业界的广泛关注。随后，特别是进入8 0 年代以 来，许多国家投入大量人力、物力进行金属喷射产品的开发与生产，取 得较好的效果。19 8 0 年，英国a u r o r a 钢铁公司又将金属喷射成形原理 应用到高合金工具钢和高速钢，发展了一种受控金属喷射沉积 ( c o n t r o l l e ds p r a yd e p o s i t i o n ) 工艺。由金属熔体的雾化和高速金属液 滴撞击冷却板组成，它是以o s p r e y 工艺为基础，采用较大金属液滴， 直径为o 5 m m 1 5 m m ，由于撞击作用，仍可以获得1 0 3 k s 的冷却速度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 瑞典的s a n d v i k 工厂在世界上首先应用金属喷射成形技术开发生产不 锈钢管和复合钢管，其生产的不锈钢管的最大尺寸为m 4 0 0 m m 8 0 0 0 m m ，重量为1 t 左右。其中，最引人注目的是美国海军在俄亥俄州 的b a r b e r t t o n 安装了4 5 t 的钢管生产设备，其熔化能力达5 t ，采用双喷 系统，最大的沉积速度可达到2 0 0 k g m i n ，该设备可生产直径达i5 r a m 、 长度为9 m 的钢管。英国与丹麦合作，应用水平金属喷射成形设备试制 出直径为2 0 0 r a m 3 2 5 m m 、长达1 3 m 的圆钢坯。o s p r e y 公司与 a l u s s u i s s e 合作，在试验中获得0 4 15 r a m 的铝合金圆坯。德国p e a k 公 司制造出0 4 0 0 m m x1 0 0 0 m m 的铝合金圆坯，可以不需扒皮而直接进行 挤压。瑞典的b o i l l a t 公司和德国的w i e l a n d 公司，应用金属喷射成形 工艺生产出铜合金圆坯，最大直径为3 0 0 m 1 1 1 、长为2 m ，其中他们重点 开发了焊接铜电极，产品组织细密，寿命是连铸电极的2 倍。美国 h o w m e t 公司应用金属喷射成形技术生产出最大尺寸0 8 0 0 m m 镍基超合 金的涡轮环。英国伯明翰大学利用离心金属喷射成形技术生产出直径为 4 0 0 m m 的铁合金环状产品。日本住友重工应用o s p r e y 工艺生产轧辊， 目前已进入商用阶段，建立了相应的工厂，生产出几千根轧辊，其最大 尺寸为外径8 0 0 r a m 、内径6 1 0 r a m 、长5 0 0 m m ，重量为5 0 0 k g ，在实际 生产应用中取得很好的应用效果，其使用寿命为铸造轧辊的2 3 倍。 英国f o r g e dr o l l s 和s h e f f i e l d 大学等研究单位合作研制生产冷轧和热 轧带钢轧辊。英国钢铁公司进行了金属喷射成形连续生产板材的研究试 制工作，e a d i e 等应用这种装置制出s i 的质量分数为6 5 的硅钢薄带。 目前，世界范围内已有4 0 多家单位取得o s p r e y 专利许可证，从事 开发和研究工作。制备的圆棒、管、圆坯和包套材料可应用于汽车、电 子、航天、军事和普通工程部件。表1 1 【2 】给出了国外研究机构利用喷 射成形技术制备的产品状况。 我国真正开展喷射沉积技术的研究是8 0 年代中后期，起步较晚， 但近些年进步较快【1 7 1 9 1 ，取得的某些成果己转化为生产力【2 0 、2 1 1 。中 科院金属研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学、有色金属研究总院、 北京科技大学和中南大学等开展了大量的研究工作，也展现出这种工艺 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 表1 1 国外喷射成形研究单位及产品状况【”】 t a b 1 1f o r e i g nr e s e a r c hd e p a r t m e n t so ns pr a yf or m i n ga n dt h e i rp r o d u c t s f l 2 l 特殊钢和丹麦d a n s p r a y m 1 5 2 抗蠕变1 2 c r 钢，t 1 5 高速钢，d 2 冷轧工具钢 高温合金美国g e 和a l l v a c 燃气涡轮 美国s p r a y f o r m t e c h n o l o g i e s 燃气涡轮机高温合金环件、密封件等 瑞典s a n d v i ks t e e l不锈钢管、镍合金管、复合管 的优越性和良好的发展前景。其中中科院金属所研究了l d c 工艺，其 余大多数沿用o s p r e y 模式。啥尔滨工业大学、北京科技大学和北京航 空材料研究院对材料的组织凝固特征和工艺过程开展研究，上海钢铁研 究所在喷射沉积制备复合轧辊方面取得较大进展。中南大学陈振华、黄 培云发明了一项专利一多层喷射沉积技术，改变了传统喷射沉积工艺中 雾化锥基底的单向直线运动模式，利用往复沉积强化冷却效果，从而 解决了在制备厚度很大的坯件时组织易恶化的问题，并能优化复合材料 中增强相的分布及其与基体的结合状态。这一技术己成功应用于制备对 冷速敏感的a 1 f e v s i 合金和6 0 13 、6 0 6 1 、6 0 6 6 铝合金及s i c 颗粒增 强复合材料。大型多层喷射沉积装置能制备单件质量达1 0 0 k g 的锭坯和 管坯。 我国在喷射成形技术理论方面取得的进步，主要表现在以下几个方 面 2 2 25 】： ( 1 ) 传统方法认为雾化气流速度按照近似指数方式衰减，难以准 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 确预测不同气体压力条件下的速度衰减变化。杨滨在测定气流场的基础 上，提出采用非线性拟合( 神经网络) 处理速度外推或插值方法，可以 较精确的预测不同压力条件下的速度曲线，为准确模拟熔滴与气流之间 的交换作用提供了保障。 ( 2 )提出了“虚拟”凝固层的概念，通过对沉积坯凝固过程的理 论分析，建立了相应的理论模型。分析表明，沉积表面温度可以作为综 合反映喷射沉积成形状态的因素，取代沉积表面雾化锥的热力学状态， 作为控制沉积过程的参数。 ( 3 ) 根据对沉积坯的凝固模拟分析以及试验工作的经验，杨滨认 为制备圆形坯件的一个重要控制参数是喷射距离。要想获得理想的沉积 效果，必须能够根据实际情况对沉积距离进行监控。为此，他们设计了 一套喷射距离在线监控系统。 ( 4 ) 研究、开发出一种熔铸原位反应喷射沉积成形金属基复合材 料制备新技术。该技术的突出优点是，颗粒在熔体内部原位反应生成， 不存在颗粒损失问题，生产成本降低。 ( 5 ) 在群体动力学的基础上提出了准确描述液滴在形核与晶粒生 长共同作用下的凝固，特别是形核和再辉阶段的组织演化，克服了过去 模拟中凝固过程是由形核或晶粒长大单一因素控制导致描述不准确的 缺点。 ( 6 ) 在层状金属复合材料方面的研究填补了国际空白，材料包括 a 1 - p b ，a l 钢汽车轴瓦用层状金属复合材料、c u p b 钢轴瓦用层状金属复 合材料、热双金属复合材料等。 喷射沉积技术经过3 0 多年的发展，作为一种先进的金属成形工艺 在世界范围内得到了认可，它是一种能制造高性能、低成本、高功能零 件的工艺，同时作为一种新工艺参与有色铸造、钢铁冶金、粉末冶金、 电渣重熔等领域的竞争，并分取市场。目前，喷射成形已经用于铝合金、 铜合金、特殊钢、不锈钢、镍基合金、超合金、低膨胀性能的s i c u 合 金等材料的生产和零件的近终成形，展示了广阔的应用前景 2 5 】。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 1 3 快速凝固a 1 一s i 系合金研究现状 铝合金具有密度低、比强度高、韧性好和耐腐蚀等优点在航空航天、 汽车、电子工业中被广泛用作结构材料。高s i 铝合金具有良好的耐磨 性、低的热膨胀系数和密度，是制造发动机和压缩机零部件的理想材料。 然而，普通铸锭冶金技术所制备的高s i 铝合金系列合金，粗大的初晶 s i 相严重地割裂基体，使得s i 元素在合金中的加入量受到限制，从而 使高s i 铝合金的性能潜力无法充分发挥，也无法满足现代工业对a l - s i 合金在使用性能方面日益增长的要求。快速凝固技术因具有冷速高、组 织均匀细小、扩大合金元素的固溶极限( 见表1 2 【2 6 1 ) 等优点可显著提 高合金的性能，在过去的几十年中快速凝固高s i 铝合金得到了迅速发 展。 表1 2 快速凝固二元铝合金的溶解度【2 6 t a b 1 2s o l u b i l i t yo fr a p i ds o l i d i f i e da i - b a s e db i n a r ya l l o y l 2 6 l 元素平衡态最大溶解度a t 温度k 报道的最大溶解度a t 用快速凝固技术研究耐磨铝合金，始于6 0 年代，d i x o n 2 7 】成功地 用粉末冶金方法制取了s i 含量高达4 5 w t 的过共晶a 1 s i 合金，而且， 初晶s i 十分细小，分布均匀。7 0 年代s k e l l y 等l “j 对含s i 量为2 5 4 5 w t 的快速凝固a 1 一s i 二元及三元合金进行了研究，制得了具有较高耐磨性 的合金。近些年，z h o u 等【2 9 q 1 1 对a 1 一s i 多元快速凝固合金的组织、性 能及固溶工艺进行了系统研究，获得了多种高耐磨、耐热的过共晶a l s i 合金。日本s u m i t o m o 轻金属有限公司等【32 ”】，采用喷射沉积快速凝 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 固工艺制成了尺寸较大的a 1 s i 多元合金沉积锭，并进行了实际应用。 目前，用于a i s i 耐磨合金的快速凝固工艺主要有：喷射沉积法、 多级雾化法、水雾化法、抛带法、离心雾化法以及气体雾化法等。各种 快速凝固工艺的冷却速度，可由微观组织的特征尺寸与冷却速度之间的 关系来确定，即： d = 4 p ( 1 1 ) 式中：d 为枝晶间距；r 为平均冷却速度：a 和n 为常数。 j o n e s 3 4 】和 m a t y j a t 35 1 提出 a 1 11 w t s i 合金的 n = l 3 ，而 a = 4 7 1 x m s i 3 k 1 3 。这样，可根据测得的枝晶间距估算冷却速度。一般情 况下，这些工艺的冷却t 速度为1 0 3 1 0 7 k s 。在这样高的冷却速度下， s i 相来不及充分析出和长大，s i 含量可以达到相当高的水平。 采用快速凝固技术生产a 1 s i 合金粉末或条带需要网结成型，即使 采用喷射成形，也因有一定的孔洞需进一步致密化。常用的固结工艺或 致密化工艺是热挤压，有时也采用热等静压制工艺。热挤压工艺参数不 同，获得的合金性能也不一样，有时相差十分显著。然而采用粉末冶金 方法制备高s i 铝合金仍存在两个方面的主要问题，一是韧性差，二是 成本高，这两方面问题均与制粉和成型工艺有关。采用喷射沉积法，然 后热挤压的工艺，可在一定程度上缓解此类问题。因此，发展喷射沉积 和其它低成本固结工艺的快速凝固高s i 铝合金应是当今的研究方向。 1 3 1 快速凝固a 1 s i 二元合金 在快速凝固a 1 s i 二元合金中，研究较多的是含s i 量1 2 w t 、 1 7 w t 、2 5 w t 、3 5 w t 、4 5 w t 的合金，其组织由初生c t 。a 1 或初生s i 相、共晶组织及氧化物组成。采用不同的快速凝固工艺，过共晶a i s i 合金中出现可辨认初生s i 的含量也不同。采用水雾化工艺时、s i 量达 到18 w t 以上，才出现约l g m 大小的初生s i 相。初生s i 相多以细小的 针状或块状分布在颗粒内，即使s i 量高达4 5 w t ，初生s i 仍十分细小， 只是数量有所增加，而且并没有新的金属间化合物形成。研究表明，在 快速凝固条件下，s i 在q a 1 中的溶解度，远高于平衡态的固态溶解度， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 10 并在一定范围内随合金s i 含量及冷却速度的增加而增大。例如，用抛 带法生产的a 1 1 2 w t s i 和a 1 1 7 w t s i 厚3 5 肛m 的条带，s i 在a a l 中 的聚集量分别为3 2 和4 4 ，这样高的固溶度显然会引起n a i 晶格常 数的变化，进而影响条带的性能【3 6 】。 t o d e s c h i n i 3 6 】研究了抛带法生产的a 1 ( 1 2 ，1 7 ，2 0 ，2 5 ) w t s i 条带，发 现3 0 p m 厚的条带中，q a 1 晶粒尺寸为3 4 i t m 。枝晶臂间距仅0 5 o 7 p m ，可见组织十分细小。性能测试表明，s i 量不同，合金条带的性 能也不同。例如，a 1 一1 2 w t s i 条带的h v o 川为1 4 g p a ，未加工和加工 态抗拉强度a b 分别为3 3 0 m p a 和4 4 5 m p a ，而a 卜l7 w t s i 条带的h v oo l 为1 8 g p a ，未加工和加工态抗拉强度矾分别为4 5 0 m p a 和5 7 0 m p a 。显 然，s i 量增加时条带的性能不但没有下降，反而得到了改善。t o d e s c h i n i 还研究了热处理对离心雾化a 1 1 2 w t s i 二元合金性能的影响，结果发 现，热处理影响合金挤压态的性能。时效处理导致合金强度的下降，而 且时效温度越高，强度下降越大，但延伸率却发生相反的变化，出现这 种现象的原因可能是固溶在a i 中的s i 析出所致。 a s 2 0 是a 1 2 0 s i 基合金，适用于室温耐磨损用汽缸、活塞等，如 曾报导过有关其它过共晶型a l s i 合金的情况一样t 3 7 8 1 ，随气体与金 属流量比率的提高，即随平均冷却速度的提高，初晶s i 颗粒渐趋细化。 另外，在气体与金属流量比率相同情况下，浇注温度越低，挤压件的显 微组织越细小。实验结果表明，磨损与平均初晶s i 颗粒尺寸呈负相关 关系。极限抗拉强度随s i 颗粒尺寸的增大而降低是由于冷却速率降低 所致。由于喷射成形工艺具有这种控制显微组织的机动性，所以可根据 具体情况有意识地将a s 2 0 的机械性能调整到所需的强度和耐磨性的平 衡。当s i 颗粒尺寸相同时，喷射成形材料具有与粉末冶金材料相当的 机械性能这一点已得到证明。 尽管快速凝固a 1 s i 二元合金的组织和性能较普通铸造a 1 s i 合金 有了显著的改善，但与多元快速凝固a 1 s i 合金相比，性能还有较大的 差距，如强度并不高、热稳定性差等。因此，该领域研究重点集中在三 元和多元快速凝固a 1 s i 合金中。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 2 快速凝固a l s i 三元合金 三元系a l s i x 合金中，x 主要是c u 、m g 、f e 、n i 、m n 、s r 等。 其中c u 和m g 主要提高合金常温强度，而f e 、n i 、m n 等主要改善合 金的热稳定性。c u 的加入量一般为2 o w t 左右，m g 加入量一般在1 3 w t 之间。加c u 或m g 的快速凝固a 1 s i 合金粉末，经挤压和时效处 理后，可形成a 1 2 c u 和m 9 2 s i 相，起沉淀强化作用，合金强度显著提高， 耐磨性也随之得到改善。 s k e l l y 28 】对比快速凝固挤压态a 1 3 5 w t s i ( 1 ，2 ，5 ) w t c u 和a 1 3 5 w t s i ( 1 ，2 ) w t m g 合金的热膨胀性和耐磨性发现，a 1 s i 合金中加c u 和m g 后，合金的热膨胀性增加很小，而磨损失重却明显下降，其原因是强度 升高所致。t o d e s c h i n i t 3 6 】等采用离心雾化方法，对a 1 1 2 w t s i 中加入 的第三种合金元素c u 、m g 、n i 、c o 或s r 等后的性能进行了测试，结 果表明，上述合金元素均使合金的常温强度得到不同程度的提高。该研 究同时发现，时效热处理能使a 1 s i c u 、a i s i - m g 系合金得到沉淀强 化，但时效温度过高或过低均达不到最佳效果。一般情况下，a 卜s i c u 合金时效温度为1 7 0 ( 2 左右，而a 1 s i m g 合金最好是16 0 。 z h o u f 3 1 】等人研究了喷射成形a 1 2 0 s i x ( x 表示过渡元素) 的组织 与性能。结果表明，喷射成形材料的冷却速度约为1 0 3 1 0 4 k s 。含氧 量是粉末冶金材料的1 3 l 7 。材料组织细化，析出相弥散分布，成分 均匀。 合金元素f e 、n i 、m n 、c o 等加入a 1 s i 合金中，主要提高合金的 热稳定性，但同时也能提高常温强度1 3 9 “0 1 。根据x 射线衍射分析结果， a l f e - s i 系快速凝固组织中，有亚稳相8 ( a 1 ，f e ，s i ) 、丫( a l ，f e ，s i ) 的形成， 加热后亚稳相减少而形成平衡相1 3 ( a ，f e ，s i ) 。b 相具有较高的热稳定性， 起主要的弥散强化作用。而加n i 的a 1 s i 合金中形成的耐热相是a 12 n i 。 平野忠男【4 0 】等对采用空气雾化制粉，热挤压成型的a 1 f 1 2 2 0 ) w t s i 合金，分别添加5 w t 和7 5 w t f e 后的机械性能进行了测试，结果表 明，加f e 后，随着s i 量的增加，合金在常温和2 0 0 时的强度均增大， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 而延伸率显著下降。 1 3 3 快速凝固a l s i 多元合金 多元快速凝固a 1 s i 合金研究较多的有a l s i c u m g 系、a l s i c u m g f e ( n i ，m n ) 系以及a l s i n i m n 系等。 快速凝固a l s i c u m g 系合金与a l s i c u 和a l s i - m g 三元合金相 比，突出的性能特点是沉淀强化效果更加显著。此类合金的组织仍比较 细小，初生s i 在1 8 t m 之间，某些气体雾化小颗粒表面出现了“光 学无特征区”，即使经3 5 0 4 0 0 挤压后，组织也变化不大【2 9 1 。 a 1 s i c u m g 系合金的性能与热处理密切相关，时效处理可显著提高常 温强度，但导致高温强度的下降，原因主要是亚结构受热消失所致 30 】。 挤压工艺也影响快速凝固a 1 s i 合金的性能。对a l - 2 0 s i - 3 1 c u 1 ，3 m g 0 3 f e 的研究表明4 0 “，挤压温度为3 2 5 4 7 0 时，随着挤压 温度的升高，常温强度先增大后降低，延伸率也是先增大后降低。挤压 温度为4 0 0 时常温强度较高，但高温强度在挤压温度较低时更好些； 挤压比在5 ：1 到6 0 ：1 之间时，挤压比大，强度反而低，而延伸率变 化不大。挤压比高产生的热量使被挤压的合金温度升高大，导致s i 相 粗化，是强度下降的原因4 2 43 1 。挤压截面积长宽比对性能影响不大。 a l s i c u m g 系快速凝固合金的高温性能与a l - s i c u ( m g ) 系合金基 本相同。随着实验湿度的升高，在1 5 0 左右强度呈急剧下降的趋势3 9 1 。 除了沉淀相的热稳定性影响合金的高温性能外，初生s i 受热租化也是 高温性能下降的原因。此外，对a i s i c u m g 系及含有微量f e 的快速 凝固合金断裂机制研究表明 38 1 ，此类合金常温断口是解理断口，高温 下( 3 0 0 或4 0 0 ) 是韧窝断口，初生s i 是裂纹源。呈韧窝断口时， 韧窝大小与初生s i 的大小有关。由此可见，初生s i 也是影响快速凝固 a 1 s i 合金韧性的主要因素之一。 目前对五元以上快速凝固a l s i 合金的研究基本上是以a 1 一s i c u m g 为基础通过添加其他组元进行的。典型的合金种类主要有a 1 s i c u m g f e 和a 1 - s i - c u m g n i 等。研究表明，a l s i c u m g 快速凝固合金中 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 添加f e 、n i 可以形成复杂的金属间化合物，能够检定的金属间化合物 有c u 2 f e a l7 、c u f e a l 6 、f e m 9 3 s i 6 a 18 、6 - ( a 1 ，s i ，f e ) 、b 一( a 1 ，s i ，f e ) 以及 a 13 ( n i ，c u ) 2 、a l7 c u 4 n i 等。这些金属问化合物显著的特点是热稳定性 特别好，无论是在高温挤压，还是高温加热，既不发生溶解也不粗化， 而且能够阻碍s i 相和基体晶粒的长大，使合金在常温和高温都能保持 细小的组织特征。 1 3 4 快速凝固a l s i s i c 复合材料 金属基复合材料具有良好的综合力学性能，且复合材料的耐磨性能 对于用做工业零件及组件是很重要的，因此，快速凝固a 1 s i s i c 复合 材料的研究也得到了广泛关注。c h o n g - s u n gp a r k ，m y u n g - h ok i ma n d a l a nl a w l e y 等【4 0 1 利用喷射成形的方法制备了a 1 s i s i c 复合材料，其 化学成分为a l 。1 2 s i 1 1 c u 1 2 m g 1 2 n i ，经研究表明：由于s i c 植入金 属颗粒内部，导致了增强型的a 1 s i 合金比未增强的a l 。s i 合金的显微 结构具备更细小的等轴晶。而这些等轴晶、均匀分布的共晶s i 相及s i c 就构成了沉积坯的微观组织。在热压过程中，随着s i c 量的增加，晶粒 和s i 相的平均尺寸都会变得更细小，s i 相的形貌也从棒状变为球状。 由于喷射成形a 1 s i s i c 合金中含有细小的晶粒及球状的s i 相，因而使 得其具备比模铸合金更好的耐磨性能，并且增加s i c 的量可以改善复合 材料的耐磨性。 综上所述，高s i 铝合金是快速凝固铝合金中的主要系列之一，早 己引起了各国的重视，许多国家进入了实际应用阶段。例如，日本、美 国、荷兰、德国等，利用高s i 铝合金的高弹性模量、低密度、高耐磨 性和高强度，将该合金成功地用于制造汽车发动机、压缩机、空调机及 电子行业的抗磨损件。仅日本用于制造压缩机部件的快速凝固高s i 铝 合金材料已经超过6 0 0 t 39 1 。由此可见，这种材料具有巨大的应用潜力。 表1 3 为荷兰r s p 技术公司生产的耐磨铝合金 4 1 2 6 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 表l _ 3 荷兰r s p 技术公司生产的耐磨铝合金 4 2 6 】 t a b 1 3w e a r r e s i s t a n ta ia l l o ym a n u f a c t u r e db yr s pg o m p a r t yi nh o l l a n d 4 2 6 】 化学成分w t 高温抗拉强度( m p a ) 合金代号 s ic u f e m g n i 3 5 0 2 5 0 r s a 一4 2 4 t 62 03 4 2 1 1 5 5 r s a 一4 2 62 0 _ 5 2 2 2 0 r s a 一4 3 l t 6 3 0 1 _ _ 1 4 0 r s a 4 3 2 t 61 73 551 1 2 4 0 我国这方面的工作只是近些年刚开始，基本处于实验室研究阶段， 合金的种类也仅限于a 1 s i c u m g 系，与国外有较大的差距。然而，随 着我国工业的发展，特别是汽车、航天、航空业的发展，对这类材料的 需求将越来越迫切。以汽车工业为例 2 6 3 7 、4 4 4 8 1 ，汽车发动机的节能 和高效是汽车工业发展的主要目标，减轻发动机运动部件的重量是节能 和高效的有效途径之一。用快速凝固高s i 铝合金代替传统的活塞、联 杆材料，在保证强度和运动速度的条件下，可减轻重量3 0 6 0 ，用此 材料制成的零件，安装在2 3 l 新型发动机上，将产生相当于传统材料 制成的3 0 l 发动机的效率，而仅相当于2 0 l 发动机的燃油量，节能约 2 0 。目前，马自达汽车公司每月消耗约l o t 这种材料，用于生产新型 发动机转子。我国的高级轿车发动机和配件基本依赖于进口，大大地制 约了我国汽车工业的发展。因此，大力发展国产发动机材料及制造工艺， 其中，快速凝固高s i 铝合金及其成型工艺是重点之一，对于改变我国 汽车工业现状意义是十分深远的。 1 4 本文研究意义及内容 如上所述，高s i 铝合金以其比重小、线膨胀系数低及耐磨性高等 优点在汽车、电子、航天航空工业中具有广泛的应用前景。然而，s i 含量过高会形成粗大的板块状s i 相，严重割裂了基体的连续性，材料 的强度低、塑性差，限制了其在工程中的应用。近年来采用电磁搅拌、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 15 超声振动、低温铸造等方法虽有一定的细化效果，但都不十分理想。采 用喷射沉积这一快速凝