（材料加工工程专业论文）za27合金晶体形貌、结构的研究.pdf

硕十学位论文 曼曼曼曼皇鼍i 一 i i 1 皇曼皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼 摘要 羽毛状晶是完全不同于常见柱状晶与树枝晶的一种异常晶粒。对于羽毛状晶 生成条件及空间形貌的研究，不仅会极大地丰富金属的凝固理论和晶体的生长理 论，具有重要的理论价值，而且对消除该晶体，获得细小等轴晶，提高材料力学 性能，具有重要的应用价值。本文对z n a 1 系合金中出现的羽毛状晶展开研究， 分析了铸造工艺参数及s i 、p 元素对z a 2 7 合金微观组织的影响，研究了z a 2 7 合金中羽毛状晶的形成条件、空间形貌。结果表明： 浇注温度、铸型激冷能力、试样尺寸对z a 2 7 合金中初生c c a 1 的晶体形貌 具有很大影响，其中浇注温度的影响最大。在较高的浇注温度( 大于6 5 0 ) 时， 极易形成羽毛状晶。而且铸型激冷能力越大、尺寸锭料越小，越易形成羽毛状 晶。试样的边缘处比中心处更容易形成羽毛状晶。这些不同的工艺参数，都反 映了温度梯度在凝固中的作用：温度梯度越大，越容易形成羽毛状晶。 s i 元素的加入减弱了羽毛状晶的形成，并随着s i 含量的增大，其影响越来 越大。初生s i 作为先析出相悬浮在液相中，限制枝晶的生长。而经p 变质后， 因初生s i 颗粒变小，对枝晶生长的阻碍作用减弱，羽毛状晶倾向加强。在同一 浇注温度下，羽毛状晶形成的倾向由强到弱的顺序为：z a 2 7 z a 2 7 s i p z a 2 7 s i 。 羽毛状晶在二维的金相上表现为长径比很大的柱状树枝晶，而在空间形貌 上，羽毛状晶是一种非常发达的树枝晶，整体呈三维结构，枝晶朝多个方向生长； 局部并排生长。羽毛状晶由主干和六个二次枝晶组成，其生长方向均为 方 向。孪晶主干在( 1 1 1 ) 孪晶面内沿着 方向生长，一对二次枝晶位于孪晶面 ( 1 11 ) 上且对称生长，与主轴呈6 0 0 夹角。在孪晶面的两侧，一对二次枝晶臂与 主轴呈6 0 0 夹角，关于孪晶面对称生长且与孪晶面夹角为7 0 5 0 。另外一对二次枝 晶臂与主轴呈9 0 0 夹角，关于孪晶面对称生长且与孪晶面夹角为5 4 7 0 。羽毛状晶 的形成是晶体学择优生长方向与外力综合作用的结果。另外，有时还会出现二维 的羽毛状晶，它是羽毛状晶的一种特殊形态，由许多二维的层片有规律的排列而 成。这是由于在生长过程中，其余的四个二次枝晶臂受到邻侧枝晶及空间的影响， 逐渐演变为二维层片状。 关键词：z a 2 7 合金；羽毛状晶；晶体形貌；铸造工艺参数，合金元素 z a 2 7 合金的晶体形貌、结构的研究 a b s t r a c t f e a t h e r yd e n d r i t ei s a l lu n u s u a lg r a i na n di ti sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mt h e c o m m o nc o l u m n a rc r y s t a la n dd e n d r i t e i tw i l ln o to n l yg r e a t l ye n r i c ht h et h e o r i e so f m e t a ls o l i d i f i c a t i o na n dc r y s t a lg r o w t h ，b u ta l s oh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re l i m i n a t i n g t h ef e a t h e r yg r a i n sa n do b t a i n i n gf i n eg r a i n s i nt h i st h e s i s ，t h ef o r m a t i o nc o n d i t i o n s a n dm o r p h o l o g i e so ft h ef e a t h e r yc r y s t a l si nz a 2 7a l l o yw e r es t u d i e db ya n a l y z i n gt h e e f f e c t so fc a s t i n gp a r a m e t e r sa n ds ia n dpe l e m e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r e s t h er e s u l t s a r es h o w na sf o l l o w i n g s ： t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e ，c h i l l e da b i l i t ya n dc a s t i n gi n g o ts i z eh a v el a r g ee f f e c t s o nt h em o r p h o l o g i e so fa a 1g r a i n si nt h ez n - a 1a l l o y i tw a sf o u n dt h a tp o u r i n g t e m p e r a t u r eh a sg r e a t e s te f f e c t t h ef e a t h e r yd e n d r i t e sw e r ee a s yt o f o r mw h e nt h e p o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sa to ra b o v e6 5 0 。c t h eg r e a t e rt h ec h i l l e da b i l i t ya n dt h e s m a l l e rt h ei n g o ts i z e ，t h ee a s i e rt h ef e a t h e r yc r y s t a lf o r m a t i o n i na d d i t i o n ，f e a t h e r y d e n d r i t e si nt h ee d g eo ft h ec a s ts p e c i m e nw e r ee a s i e rt of o rt h a nt h o s ei nt h ec e n t e r a l t h o u g ht h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ed i f f e r e n t ，a l lo ft h et h e mr e f l e c t e dt h er o l eo f t e m p e r a t u r eg r a d i e n td u r i n gs o l i d i f i c a t i o n ：t h eg r e a t e rt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t h e e a s i e rt h ef e a t h e r yc r y s t a lf o r m a t i o n t h ea d d i t i o no fs ie l e m e n ts u p p r e s s e dt h ef o r m a t i o no ff e a t h e r yc r y s t a l s ，a n d 鹪 t h ec o n t e n to fs ii n c r e a s e d ，t h ei n f l u e n c ew a se n h a n c e d t h ep r i m a r y s ip l a t e s s u s p e n d e di nt h el i q u i da n do b s t r u c t e dt h eg r o w t ho ft h ed e n d r i t e s h o w e v e r , a f t e r b e i n gm o d i f i e db ype l e m e n t ，t h ep r i m a r ys ip a r t i c l e sb e c a m es m a l l e ra n dm o r e d i s p e r s i v e ，a n dt h eh i n d e r i n ge f f e c to nt h ed e n d r i t eg r o w t hw a sd e c r e a s e d a t t h es a m e p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，t h ef o r m a t i o nt e n d a n c yo ff e a t h e r yd e n d r i t e sb e c a m ew e a ka s t h es e q u e n c eo fz a 2 7 ，z a 2 7 s i pa n dz a 2 7 - s i t h ef e a t h e r yd e n d r i t ew a si nc o l u m n a rd e n d r i t em o r p h o l o g i e s w i t hl a r g er a t i oo f l e n g t ht od i a m e t e ro nt w o d i m e n s i o nm i c r o g r a p h s b u ti nt h r e e - d i m e n s i o ns p a c e ，t h e y w e r ei nt h r e e d i m e n s i o n a ld e v e l o p e dd e n d r i t em o r p h o l o g i e sw i t hm u l t i p l e - d r i e c t i o n b r a n c h e sa n di nl a m i n a rs t r u c t u r e si nl o c a lz o n e s t h ef e a t h e r yd e n d r i t e w a s c o m p o s e do fo n ep r i m a r yt r u n ka n ds i xr o w so fs e c o n d a r ya r m sa n da l lo ft h e mg r e w a l o n g d i r e c t i o n s 。t h ed e n d r i t et r u n kg r e wa l o n ga d i r e c t i o ni nt h e ( 111 ) t w i np l a n ea n dap a i ro ft h es e c o n d a r ym i l l sw a si nt h e ( 1 11 ) t w i np l a n ea n d s y m m e t r i c a l l yg r e wa t6 0 o w i t hr e s p e c tt ot h et r u n kd i r e c t i o n a tt h eb o t hs i d e so ft h e t w i n n i n gp l a n e ，a n o t h e rp a i ro ft h es e c o n d a r ya r m sw a sa t6 0 0 w i t hr e s p e c tt ot h et r u n k d i r e c t i o na n ds y m m e t r i c a l l yg r e wa t7 0 5 0w i t hr e s p e c tt ot h et w i np l a n e t h er e s tp a i r l l 硕十学能论文 o ft h es e c o n d a r ya i m sw a sa t9 0 0w i t hr e s p e c tt ot h et r u n kd i r e c t i o na n d s y m m e t r i c a l l yg r e wa t5 4 7 。w i t hr e s p e c tt ot h et w i np l a n e t h ef o r m a t i o no ft h e f e a t h e r y d e n d r i t e sw a sa t t r i b u t e dt ot h ec o m b i n e dr e s u l t so ft h ep r e f e r r e d c r y s t a l l o g r a p h i cg r o w t hd i r e c t i o na n d e x t e m a lf o r c e s i na d d i t i o n ，2 - d i m e n s i o n f e a t h e r yd e n d r i t e ss o m e t i m e sc o u l db ef o u n da n dt h e ys h o u l db eak i n do fs p e c i a l m o r p h o l o g i e so ff e a t h e r yd e n d r i t e s t h e yw e r ec o m p o s e do fm a n yp a r a l l e ll a m i n a e k e yw o r d s ：z a 2 7 a l l o y ；f e a t h e r yd e n d r i t e ；c r y s t a lm o r p h o l o g y ；c a s t i n gp a r a m e t e r s ； a l l o y i n ge l e m e n t s z a 2 7 合金的晶体形貌、结构的研究 插图索引 图1 1z n a l 相图2 图1 2z a 2 7 组织演变4 图1 3z a 2 7 s i 断口形貌5 图1 4 枝晶端部简化模型6 图2 1 不同浇注温度下z a 2 7 合金的微观组织：1 0 图2 2z a 2 7 合金晶体形貌随浇注温度的演变示意图1 1 图2 3 不同浇注温度下z a 2 7 合金断口缩松处的组织1 2 图2 4 不同浇注温度下铸棒边缘晶粒形态1 3 图2 5 在温度梯度的作用下，一侧被抑制6 5 0 1 4 图2 6 不同铸型时z a 2 7 微观组织1 6 图2 7 在不同直径坯料上所取观察点示意图1 7 图2 8 不同锭料尺寸中心、径向方向二分之一处、边缘显微组织1 8 图3 1z a 2 7 s i ( 1 0 v 0 1 ) 低于液相线浇注时的微观组织_ 2 1 图3 2z a 2 7 一s i ( 1 0 v 0 1 ) 不同浇注温度微观组织2 2 图3 3z a 2 7 s i 合金不同浇注温度下断口缩松处枝晶形貌2 2 图3 4s i 晶体的反射孪晶生长机理2 4 图3 5z a 2 7 s i 合金微观组织2 4 图3 6z a 2 7 s i 合金断口缩松处形貌2 5 图3 7p a n d a t 软件模拟的固相体积分数随温度变化图2 5 图3 8z a 2 7 s i ( 1 0 v 0 1 ) 低于液相线浇注时的微观组织2 8 图3 9p 变质时z a 2 7 s i ( 1 0 v 0 1 ) 不同浇注温度微观组织2 8 图3 1 0p 变质时z a 2 7 s i 合金不同浇注温度断口缩松处枝晶形貌2 9 图3 1 1 合金中不同s i 含量在7 5 0 浇注时微观组织3 2 图3 1 2 合金中不同s i 含量在7 5 0 浇注时断口缩松处枝晶形貌3 2 图3 1 3 不同铸型时z a 2 7 合金的微观组织3 4 图3 1 4 不同锭料尺寸中心、径向方向二分之一处、边缘显微组织3 6 图4 1 羽毛状晶形貌3 8 图4 2 羽毛状晶局部微观形貌3 9 图4 3 羽毛状晶生长形貌：4 0 图4 4z a 2 7 s i 合金中层片状羽毛晶4 0 图4 5 半固态下( 4 8 5 ) z a 2 7 合金的激冷组织4 1 图4 6z a 2 7 与z a 2 7 s i 中羽毛状晶形貌4 2 图4 7 晶体八面体外形4 2 图4 8 浇注温度为6 0 0 时z a 2 7 合金中 生长方向4 4 i v 硕十学位论文 图4 9 方向空间结构4 4 图4 1 0 羽毛状晶模型示意图4 5 图4 1 17 5 0 浇注时枝晶的形貌4 6 图4 1 2z a 2 7 合金在高浇注温度时二维羽毛状晶的演变过程示意图4 8 图4 1 3 二维羽毛状晶示意图及其模型4 8 图4 1 4 对称非二维羽毛状晶形貌4 9 图4 15 羽毛状晶非对称生长形貌4 9 图4 1 6z a 2 7 合金中普通柱状晶形貌( 四个方向) 5 0 图4 1 7 面心立方结构( f e e ) 5 0 图4 1 8 立方晶系枝晶的生长方向5 0 图4 1 9 由八面体发展为树枝状晶干的成长过程5 l 图4 2 0 等轴晶中沿六个 方向生长5 1 图4 2 1 立方晶系柱状晶三维空间长大方向5 2 图4 2 2 羽毛状枝晶尖端形貌5 2 图4 2 3 枝晶演化过程中方向选择5 3 图4 2 4 热流与柱状晶的关系( q 一热流) 5 4 图4 2 5 溶质原子使晶体点阵产生局部畸变5 4 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性蔗明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究傲懋重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：铂武 日期：矽晖多月 厂。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：唇向硪 导师签名：专毒 日期：圳哞石月1 0 日 日期：p 年f 月f o 墨 硕十学位论文 1 1 锌基合金的发展概况 第1 章绪论 二十世纪2 0 年代人们开始使用锌基合金。第二次世界大战期间，德国开发 了含铝1 0 w t 1 3 w t 的锌合金代替铜制作工件。1 9 6 2 年美国报道了含铝1 2 w t 的锌合金。此后加拿大采矿公司对其成分作了调整，使其能与黄铜、青铜、铝及 铸铁竞争，并于7 0 年代中期又发展了含铝2 7 w t ( z a 2 7 ) 及含铝8 w t ( z a 8 ) 铸造合金，形成了z n - a 1 系列合金川。此后，在世界范围内，人们开始研究开发 锌铝合金，一些国家还将锌铝合金列入国家标准【2 】。 z n - a 1 合金具有良好的铸造性能、优良的耐磨、减摩性能，是替代价格昂贵 的铜合金的理想材料，已广泛用于制造轴瓦、轴套、蜗轮蜗杆等减摩、耐磨零件 1 3 叫。同时，该合金熔点低、耗能少、成本低廉、成形方便，适合于多种铸造方 法，因此具有很强的市场竞争力，对其研究和应用也在不断地深入和发展，并成 为金属材料科学研究的热点之一【5 】。在z n - a 1 系列合金中，高铝锌基合金z a 2 7 的综合力学性能最好，应用最为广泛 6 1 。 1 2z a 2 7 合金的特点 在锌铝合金中，z a 2 7 合金由于其优异的力学性能而倍受关注，表1 1 为z a 2 7 合金的成分。 表1 1z a 2 7 合金的成分 兀索a 1c u m g z n 含量( 叭0 )2 6 0 2 8 0 2 0 2 5 0 0 1 0 0 2其余 工业用z a 2 7 合金通常加入合金元素m g 和c u 。元素m g 的加入除了细化晶 粒，提高强度外，主要是改善耐蚀性；c u 的加入主要是提高高温抗蠕变性能。 m g 加入量过高，使合金热裂倾向增大，c u 加入量过高，不仅不利于合金强度的 提高，而且还不利于使用过程中的尺寸稳定性【7 8 】。 1 2 1z a 2 7 合金的凝固特点 众所周知，组织决定性能，而组织又决定于凝固过程。由z n a 1 相图可知( 图 1 1 ) ，z a 2 7 合金的凝固及冷却过程中的相变比较复杂。研究表明，在凝固过程中， 先形成高熔点富铝的a 枝晶组织，接着发生包晶反应l + a 一d ，由于没有足够的 时间使该反应充分完成，仅在o 【表面形成一层富z n 的b 相，并且将大量的z n 排到剩余液体中，使剩余液体的z n 含量增加，从而发生共晶反应l _ p 加，最后 r z a 2 7 合金的晶体形貌、结构的研究 在包晶d 相间形成共晶组织【7 】。c u 元素在凝固过程中一部分固溶于0 【、d 相中， 剩余部分被排到共晶液体中，在共晶体中形成富c u 的相( c u z n 4 ) 。因而，在凝 固刚完成时，z a 2 7 合金的组织由初生相、包晶b 相、共晶廿d 和相组成。 在随后的冷却过程中，d 相将发生共析分解，而a 相也不稳定，也将发生分解。 d 相以胞状不连续分解方式分解为规则的咖层片共析组织和不规则的复杂形状 共析组织，共析晶胞在共晶1 1 相上形核并向枝晶内部生长。初生a 相在室温下不 稳定，大部分因周围d 相分解的层片咖向其内部生长而分解为层片咖组织， 少数的枝晶中心因发生连续分解形成分布在a 相中细小的q 相组织，正是此连续 分解阻碍了层片组织向枝晶中心的继续生长。在凝固过程中，c u 被排到共晶液 中而在枝晶间形成尺寸较大的相，在冷却和时效过程中，固溶体中的部分c u 在”相中形成弥散分布的细小相，m g 则固溶于0 l ，1 1 相中 7 1 。相是一种亚稳 过渡相，在时效过程中会通过四相反应叶_ t 蜘形成t 相( a 1 4 c u 3 z n ) 。当温 度高于1 0 0 时该四相转变速度加快，极易造成z a 2 7 合金零件尺寸的变化，所 以该合金热稳定性 图1 1z n a 1 相图6 7 1 1 2 2z a 2 7 的优点 ( 1 ) z a 2 7 具有较高的室温强度和硬度。这是由于z a 2 7 合金中延性的a 相 具有较强承载能力，小相硬度高。z a 2 7 的抗拉强度超过几乎所有有色合金， 蠕变强度也很高。z a 2 7 合金的比重远小于铜合金和黑色金属，可以达到较高的 比强度【1 1 。 ( 2 ) 良好的摩擦磨损性能。高硬度的相质点分布于质软的基体中构成了 软基硬质结构特征( 具有该结构特征的材料为典型的耐磨材料) 。与青铜轴瓦合 金比较表明，z a 2 7 具有较低的摩擦系数( 密排六方结构的t 1 相具有固体自润滑 特性) ，较高的承载能力和较高的耐磨性，因此被广泛的应用于耐磨材料【8 】。 ( 3 ) 制造成本低，耗能小。z a 2 7 熔点较低，因而在熔化过程中熔化耗能少， 且合金元素烧损少、氧化轻、吸气少。由于z n 的价格便宜，所以制备z a 2 7 的 2 硕十学位论文 原材料成本较低。z a 2 7 的密度约为5 - 6 3 ( g cm 3 ) ，小于黑色金属，只有铜合 金的2 3 ，当用高铝锌合金代替铜合金时，可以节省1 3 的原材料。如果再考虑 熔化耗能少、机械加工费用较低，用高铝锌合金代替铜合金具有十分可观的经 济效益。z a 2 7 可以采用少余量或无余量铸造成形，省去或大大降低机械加工量， 从而降低机加工费用。 ( 4 ) 抗腐蚀能力强。z a 2 7 在盐雾中的抗腐蚀能力最好，其耐碱性超过铝。 锌在大气中具有良好的耐蚀性，因此金属锌被大量用于工业表面镀锌。 ( 5 ) 良好的成型性能。z a 2 7 流动性好，尤其是在高温时，其流动性非常好， 可以铸造较薄的铸件，例如最小壁厚为2 m m ，最小铸出孔为l m m 。z a 2 7 可用 于砂型铸造，永久型铸造，压力铸造，半固态铸造，挤压铸造，离心铸造。 ( 6 ) 良好的减震性能。z a 2 7 的减振性能随温度升高和频率下降明显增大， 很适合制做汽车发动机减振零部件。z a 2 7 具有较高的阻尼性，当受到周期性外 力作用发生振动时，其微观构造中的相界面将发生粘滞流动或变形，吸收一部分 振动能并将其转化为热能或其它能量而耗散掉。 ( 7 ) 一定条件下具有良好的超塑性。可将超塑变形与成形相结合使成形零 件的组织致密化，达到提高塑性的目的【1 , 8 , 1 0 】。 除此之外z a 2 7 还具有良好的无线电屏蔽性，非磁性及非火花性，优异的 导电、导热性能等优点。但是z a 2 7 合金也有其不可避免的缺点。 1 2 3z a 2 7 的缺点 ( 1 ) 宏观偏析严重。z a 2 7 合金组成相的密度差较大( 铝的密度为2 6 9 9 c m 3 ， 锌的密度为7 1 2 9 c m 3 。故富锌相与富铝相的密度差较大) ，凝固时液体中析出的 富铝相的比重比液体小，加上z a 2 7 合金的凝固温度区间( 1 1 2 ) 较大，因而 富铝相有足够时间上浮，铸件下部缺铝富锌，而上部缺锌富铝，造成比重偏析。 另外，z a 2 7 也存在微观偏析。 ( 2 ) 高温性能差。构成z a 2 7 合金的主要元素( 锌和铝) 熔点低，因此温 度高于1 5 0 后，z a 2 7 合金的抗拉强度大幅下降，耐磨性、蠕变性也降低。 ( 3 ) 分散性气孔及底缩。z a 2 7 合金凝固温度范围宽，为典型的糊状凝固， 易产生分散性缩孑l 。比重偏析造成的自上而下的凝固顺序使补缩难于实现，从而 造成底缩。 ( 4 ) 尺寸稳定性差，尤其是热稳定性差( 有较大的热膨胀系数) ，易发生老 化。四相反应q t + e t 加的转变速度在温度高于1 0 0 后加快，从而造成工件尺 寸变化和老化【1 1 。 可见，z a 2 7 合金虽然具有诸多优越的性能，但其自身的缺点不容忽视。因 此，如何合理的利用材料，发挥其优点便成为人们研究的重点。 材料复合化是提高材料高温性能的有效手段。在金属中复合或原位生成高温 稳定性好的组分颗粒，制成颗粒增强的复合材料是提高高温力学性能和改善尺寸 3 z a 2 7 台金的品体形虢、结构的研究 稳定性最常用的方法【旧。对于z n a l 基台金来说，在熔炼时添加高熔点的s i 元素， 凝固中原位生成s 1 颗粒，制得s l 颗粒增强的z a 2 7 复合材料( 本文将其表示为 z a 2 7 一s i 合金) 。硅是一种常用的高效增强相，不仅能够提高其高温力学性能，而 且还能提高其尺寸稳定性”i 。此外，添加s 元素还可进一步提高其耐磨性能【9 。 1 3z a 2 7 一s i 合金的晶体形貌 图12 ( a ) 为z a 2 7 合盒微观组织的形貌主要由初生富a 1 枝晶和技晶间共晶组 织组成。其中，白色的为初生富a 1 枝晶，黑色的为晶间共晶组织。图l2 ( o ) 为 z a 2 7 s i 合金微观组织形貌，由发达的初生小a 1 树枝晶、晶间的共晶组织和s 1 颗 粒组成，其中初生s l 以块状颗粒形态分布。图12 ( c ) 为经03 p 变质后的晶体形貌。 可以看出s i 颗粒变得细小初生c t - a l 树枝晶也变得细长。 对于z a 2 7 - s i 合金，最新的研究表明【i ：( 1 ) 因s i 元素的存在，使z a 2 7 合金 的q a i 晶粒从原来较发达的等轴晶变为长径比很大的柱状树枝晶，而且这种现象 随s l 含量的增加而愈加明显；而这与本文研究结果完全相反。( 2 ) 当加入变质s i 颗粒的p 元素后，柱状树枝晶，尤其是二次枝晶臂得到明显细化( 图l2 ( b ) ) ：( 3 ) z a 2 7 一s i 合金的断口形貌表明，柱状树枝晶不是常见的三维结构，而是二维的， 即呈真正的羽毛状。从图】3 ( a ) 可清楚地观察到树枝晶的羽毛状特征；而羽毛状 树枝晶平行叠加而形成层片状结构，如图l3 ( b ) 所示的四层结构( 这与图12 ( c ) 右 侧所示相互平行的层片状结构相一致) ；( 4 ) 即使是经z n - a i 合金中细化效果最好 的z r 处理后”“，小a i 品粒仍很大，比未经细化处理的z a 2 7 合金的还粗大，但形 态似乎变为原来的三维等轴晶。 z a 2 7 上坠苎- z a 2 7 - 4 7 6 s i! 至堕 z a 2 7 - 4 7 6 s o 3 p 发达的等轴晶+ 柱状树枝晶- 二次臂细化了的柱状树枝晶 圈12 z a 2 7 组织演变 ( a ) z a 2 7 ；( b ) z a 2 7 47 6 s i ；( c ) z a 2 7 j , 7 6 m3 p 1 1 7 l 硕士学位论文 图1 3z a 2 7 - s i 断口形貌 a ) z a 2 7 j t7 6 s i ；( b ) z a 2 7 4 5 4 5 s i i m 1 4 羽毛状树枝晶国内外研究现状 14 l 羽毛状晶概述 羽毛状晶又称之为层状晶，亦称之为双晶、孪晶、放射状晶、玄武岩状晶、 花边状组织等属于李晶中生长孪晶的一种( g r o w t h t w i n ) 1 8 1 0 最初发现于铝合 会中，是完全不同于常见柱状晶和树枝晶的一种异常晶粒，之所以称之为羽毛晶 是羽毛状晶在二维金相中其形貌与羽毛相似【q 。羽毛状晶是在一定条件下得到的 一种铸造组织。它是由许多羽毛状晶群组成的。每个羽毛晶呈细长而扁平状，由 取向不同的两晶粒和一条笔直的双晶面组成，常在工业纯铝中出现。由于羽毛状 晶具有强烈的各向异性，并且在压力加工过程中不易变形和破碎，所以对合金组 织和机械性能有一定的影响。 羽毛状晶是柱状晶的变种，它是再结晶前沿液体中的温度梯度十分陡峭，过 冷带极为窄小的情况下生成的。当熔体的过热温度很高，铸锭的冷却速度极快 热流从结晶面向单一方向进行扩散以及熔体中的有效活性质点极少时很容易产 生。由于羽毛状晶最大生长速度沿着轴向进行，所以与轴向平行的羽毛状晶组织 具有最强的竞争力所以其他方向的枝晶根容易被抑制。因而，羽毛状晶生长方 向基本与轴向平行”2 ”。 l4 2 羽毛状晶形成机理 从发现羽毛状晶起，人们试图澄清a 1 合盒中羽毛状晶的微观结构、生长方 向与合金成分( 溶质的种类、含量) 、凝固条件( 温度梯度、冷却速率或晶体生 长速率和对流) 问的关系，取得了一些可喜的成果，但也存在很多的问题，主要 体现在一下几个方面。 z a 2 7 合金的晶体形貌、结构的研究 1 4 2 1 羽毛状晶的结构及生长方向 在铝合金中，生长孪晶面为( 1 1 1 ) 面，已无异议，但是关于孪晶的生长方 向则尚无定论。铝合金在一般情况下，枝晶主轴总是平行于 轴，平行于热 流方向。但是在孪晶中，并不总是这样。虽然生长方向必须位于孪晶面上，但是 主轴方向仍有很大争议，r m j o r d a n 和j a e a d y 等人得出孪晶中主轴生长方 向是从 至u t 2 2 1 。周尧和等对定向凝固a 1 4 5 c u 合金的测试观察得出： 生长孪晶发展而成的层状晶是由许多树枝晶排组成，每一排即一层片。孪晶面为 ( 1 1 1 ) ，枝晶主轴生长方向为 ，二次分枝的生长方向为 和 2 3 】。 但最近的研究表明【2 4 】：羽毛状晶是由 生长方向的主干和侧面的也为 生长方向的晶臂组成，主干被( 1 1 1 ) 孪晶面从中间分开，即( i i i ) 孪晶向侧面朝 向延伸而形成晶臂；因羽毛状晶常与孪晶联系在一起，也叫孪生晶( t w i n n e d g a i n s ) 2 5 , 2 6 。晶臂与主干呈5 0 6 0 。【2 5 1 ，一个主干周围有6 到9 列晶臂【2 4 1 ，即 呈三维结构。并非图1 3 所示的仅由两列晶臂组成的二维结构。可见，对于羽毛 状晶的结构及生长方向的论述仍存在很大争议，因此非常有必要从更直观的角度 来澄清羽毛状晶的结构及生长方向。 1 4 2 2 合金成分的影响 猜测具有特殊晶体结构的溶质元素因改变了固液界面能的各向异性和原子 的吸附动力学，从而导致形成孪晶、改变了生长方向，最终形成羽毛状剐2 引。据 初步统计，已观察到的生长孪晶的非小平面材料有a g 、趾、c u 、m g 、z n 等， 这些材料的晶型分别属于面心立方( a g 、a 1 、c u ) 和密排六方( m g 、z n ) ，具 有面心或体心立方结构的枝晶生长时，其一次枝晶臂方向都是沿着最密排面形成 的角锥体轴 。密排六方的最密排面 0 0 0 1 ，不能形成角锥体，根据其枝晶生 长方向为 和二次枝晶臂互成6 0 0 的事实，可认为角椎体是由六个 1 0 1 2 ， 面构成的。小平面生长的枝晶端部简化模型如图1 4 ( a ) 、( b ) 所示。对于非小平面 生长的材料，面心立方结构的枝晶端部虽然不像1 4 ( a ) 所示的那样出现小平面， 而大致呈旋转抛物体模型( 图1 4 ( c ) ) ，但其表面仍是最密排面 1 1 1 ) 。面心立方 1 1 0 一| l i - 图1 4 枝晶端部简化模型【2 3 j ( a ) 小平面生长面心立方，( b ) 小平面生长密排六方，( c ) 非小平面生长面心立方 晶体最密排面 “1 ) 的正常原子堆垛层序为一a b c a b c a b c 一，如果由于某种原 因，堆垛层错排为- a b c a b c a c b a c b 卜，就会形成孪晶。在密排六方的 1 0 1 2 ) 6 硕十学位论文 鼍曼曼曼詈曼量曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼! 曼曼曼苎曼曼舅璺曼皇i m i i i i i i i 皇量 面上也可以发生类似的情况。体心立方的最密排面 1 0 0 和次密排面f 1 0 0 的堆垛 层序都只能是a b a b a b 一，不可能出现堆垛层错，f 1 1 2 面的堆垛顺序随时周 期性的，但周期太长，这或许是具有体心立方结构的材料不曾发现生长孪晶的原 因【2 7 1 。 在通常情况下，a a 1 生长方向为非密排面的 方向，而且很难形成孪晶， 之所以变为类似于光滑界面的密排面生长方向 的孪生生长方式，文献 【2 5 2 6 ，2 8 】猜测应该归咎于这些溶质元素( 如z n 原子与舢原子半径不同，可能导致 层错【2 8 1 ) 主要由于溶质原子使晶体点阵产生局部畸变。溶质与溶剂的原子尺寸差 大且严重偏析时，固溶体中的原子的静位移大而多变，更为原子堆垛时发生错排 创造了条件【2 9 1 。最近s a l g a d o o r d o r i c a 等人的实验结果表明，是否形成羽毛状 晶与溶质元素的种类无关( 具有h c p 结构的z n 和m g 、低层错能的c u 和高层错 能的n i ) ，但是与含量有判2 4 1 。g o n z a l e s 等人对a 1 z n 合金的研究也证实羽毛状 晶的形成确实与z n 含量有关：只有当z n 含量达到6 0 以上时才会形成羽毛状 晶；在2 5 6 0 时，晶体生长方向与 想的夹角在0 4 5 。间连续变化：在 2 5 以下为 方向的常规生长【3 0 】。松石藤夫等对铝合金单向凝固研究表明： 通常状态下，( 1 0 0 ) 小平面在与热流相反的方向上优先生长，如果这种优先受某 些因素( 如引入其他溶质元素或振动凝固金属) 的影响而被打乱，多个( 1 1 2 ) 小平面就会在与热流成1 0 0 之内的夹角的方向上生长【3 1 1 。所以，枝晶的生长方向 并不是是固定的一成不变的，可能存在着连续变化。因此，t o m o r rh a x h i m a l i 等 人也借助模拟铸造系统清楚地表明枝晶的生长方向【3 2 】。至于z n 的影响机理并未 讨论，目前也尚不清楚。可见，有关溶质元素对羽毛状晶的形成的影响机理仍需 从其对孪晶的形成、晶体生长方向的改变等方面予以澄清。 1 4 2 3 凝固条件的影响 羽毛状晶常常出现在对流较强的区域且主干 方向与对流很接近 3 3 , 3 4 。 但是“等人对a 1 一z n 、a 1 f e 合金的研究表明，在静磁场的作用下，即对流被抑 制的情况下，这两种合金均会形成羽毛状副2 8 , 3 5 】。前者产生的原因是对流改变了 原子动力学的各向异性【3 3 1 ，而后者是因对流减弱，减慢了熔体热量的散失、促进 了固液界面前沿溶质的富集；热量散失的减慢使凝固速率减小，从而需求小的固 液界面能，使生长方向发生改变；溶质元素的富集促进了孪晶的形成，这两方面 的综合作用致使形成羽毛状晶f 2 8 1 。可见对于对流的影响存在不同的解释和相反的 结果，最初的实验结果显示快速的冷却或结晶速度有助于羽毛状晶的形成。 b l j o n e s 等人在过冷至熔点下2 0 7 的高纯度铜锭骤然快速凝固后多处出现孪 生晶粒的试验中，说明大的冷却速度在这里起主要作用。在单向的凝固条件下， 冷却速度越大，柱状晶生长越快，亦即原子向晶体表面堆垛也越快，原子错排的 可能性将随之增加【2 7 】。而这与l i 等人的结果相反【2 8 】。而且，g o n z a l e s 等人也认 为晶体的生长方向或羽毛状晶的形成与生长速度( 至少6 7 l am 3 m r n s 的范围内) 7 z a 2 7 合金的晶体形貌、结构的研究 无判刈。申谷羲三等对a 1 m g 、a 1 f e 、a 1 n i 、a 1 s n 、a 1 t i 五种合金的试验表 明，凝固速度r 温度梯度g l 和比值g l r 1 2 越大，羽毛状晶越容易产生旧。 周尧和、杨根仓等认为界面上局部富集过量的溶质导致过冷状态的不稳定性，而 孪晶的生成能消除这种不稳定性。c h a l m e r s 则认为铝锭中的羽毛状晶组织是“由 于界面处过冷度很小，以致界面的扩散程度不足以形成新原子层 的说法与孪晶 只有在大的冷却速度下出现的事实是矛盾的【2 7 1 。室町繁雄在6 0 6 3 铝合金半连续 铸锭中发现，在大的铸造速度和高的浇注温度下，容易形成羽毛状晶t 2 7 1 。可见， 对于晶体生长速度或冷却速率的影响及影响机理也存在异议。 不过，对于温度梯度的影响有统一的认识：大的温度梯度有助于羽毛状晶的 形成。这一点周尧和等在a l - 4 5 c u 单向凝固实验中得到证明：在高温浇注下， 试样结构半径较小时，易形成羽毛状晶。在所有控制的工艺因素中，合金浇注温 度对羽毛状晶的出现几率影响最大，即温度梯度影响最大【2 3 捌。 总之，众说不一，问题尚处于探讨阶段。本文将在课题组前期研辩1 。7 】的基础 上，结合z n - a i s i 合金系中羽毛状晶的组织形态和生成条件对其机理作一些分 析。至此，有以下几种情况需要给予澄清： ( 1 ) 对铸造z a 2 7 及z a 2 7 s i 合金中各个铸造工艺参对枝晶形貌的变化产生 怎样的影响? 在何种情况下会产生羽毛状晶? ( 2 ) s i 的加入使z a 2 7 合金的晶粒形貌发生怎样的变化? 与z a 2 7 的组织究 竟有什么区别? 为什么会发生这样的变化? ( 3 ) p 元素在z a 2 7 s i 中，究竟起到了什么样的作用? 它对初生a a 1 有怎样 的影响? ( 4 ) z a 2 7 中出现的羽毛状晶的形貌如何? 该羽毛状晶的结构及生长方向如 何? 1 5 本研究的主要内容 2 3 研究铸造工艺参数对z a 2 7 合金微观组织的影响。研究浇铸温度、试样尺寸、 铸型激冷能力等对材料微观组织的影响。澄清在哪种状态下，易形成羽毛状 树枝晶。 研究铸造工艺参数对z a 2 7 一s i 合金微观组织的影响。与z a 2 7 合金作对比 研究，研究浇铸