离心铸造原位Al_Mg_2Si复合材料组织与性能的研究

1、研究与应用*国家自然科学基金资助项目;1998年4月14日收到初稿,1998年5月27日收到修改稿离心铸造原位Al/Mg 2Si 复合材料组织与性能的研究*中国科学院金属研究所(沈阳110015 张 健 王玉庆 吴欣强 周本濂提要 由原位内生Al/Mg 2Si 复合材料的离心铸造,得到了内外壁均含Mg 2Si 颗粒增强相,而中部为合金基体的复合材料管材。管材内外部硬度高于中部,而中部的拉伸性能高于管材的两壁。分析了在离心力场中,原位复合材料组织的形成及其对力学性能的影响。关键词:Al/Mg 2Si 原位复合材料 离心铸造 组织 性能Study on M icrostructure and Pr

2、operties of Al/Mg 2Si In -situ Composites by Centrifugal CastingZhang Jian,Wang Yuqing,Wu Xinqiang,Zhou Benlian(Institute of Metal Researc h,Chinese Academy Scienc esAbstr actThe centrifugal casting was used to produce an Al/Mg 2Si in -situ c omposite pipe exhibiting Mg 2Si particulate reinforcement

3、 in both inside and outside wall and alloy matrix in the c entre.The hardness of inside and outside w all is higher than that of the centre,while the tensile strength of the centre is higher than that of wall surfac e.The struc ture mode of in -situ composite and its effect on the mechanical propert

4、ies in the centrifugal force field have been analysed.原位复合材料具有热力学稳定和界面结合好等特点。在基体中原位生成的Mg 2Si 颗粒增强相,较AlSi 复合材料中的Si 颗粒更易控制,而且密度更低( Mg 2Si =1 88g/cm 3。因此, E. E.Sc hmid 等人首次提出了制备高比强度Mg 2Si 颗粒增强金属基复合材料的设想 1 。为避免常规铸造工艺下形成大尺寸不规则的颗粒,M.Mabuchi 等人用快速凝固和热挤压的方法,得到了Mg/Mg 2Si 复合材料 2。但,材料工艺复杂,成本高。离心铸造法制备耐磨复合材料管材,很

5、难使管材的内外壁均含有增强相。作者利用Al/M g 2Si 复合材料中M g 2Si 颗粒增强相在合金的凝固过程中原位生成的特点,通过离心铸造工艺细化了内生颗粒,得到了内外壁均含增强相的复合材料管材。一、试验方法用工业纯Al 、Mg 、Si,熔炼A-l 15Mg 2Si 合金(A-l 9 5Mg -5 5Si,数字为质量百分数,Mg 2Si 颗粒在合金的凝固过程中原位生成。合金液在800 离心浇注于水冷铜铸型中,铸型转速1600r/min 。样品组织经显微分析,并沿径向做HV 硬度和HB 硬度测定。管材的内外壁、中部分别切成片状试样,沿轴向做拉伸试验,拉伸样品厚2mm 、宽2mm 、标距长6m

6、m 。二、试验结果与分析试验得到的内外径分别为100mm 和130mm 的管状样品,经测试,离心铸管沿径向的显微组织如图1所示。由图1看到,其外壁约2mm 3mm 厚的区域,分布着高体积分数的Mg 2Si 颗粒增强相,且颗粒尺寸较小(约5 m10 m ;中部组织为约8mm 厚的基体柱状晶;管内壁(约4mm 5mm 厚也分布着高体分数的Mg 2Si 颗粒,但其尺寸大于管外壁的颗粒。组织观察中还发现,管材沿轴向的组织较均匀。铸态样品沿径向的硬度与拉伸性能如图2和图3所示。与其组织相对应,在含增强相颗粒的区域,材料的硬度明显升高。管材中部的基体合金,其拉伸强度和伸长率均高于其它区域。以上结果表明,该

7、方法能制备一种新型内外壁均耐磨的原位金属复合材料管材。分析以上结果,液态合金在浇铸过程中原位生成的Mg2Si颗粒,在管材外壁首先急冷后,尚来不及在离心力场作用下在熔体中移动,就已凝固成为组织细小的固相,形成图1a的组织。在以后的凝固过程中,冷却速度降低,形成的原位Mg2Si颗粒悬浮于合金熔体中,由于Mg2Si密度仅有1 88g/cm3,小于基体合金密度,在离心力场作用下,颗粒开始向浇铸中的固-液界面前沿,即管内壁偏聚,此时管状样品中部的成分接近基体合金成分,以柱状晶长出,颗粒相几乎没有,于是形成图1b管材中部的组织。样品内壁偏聚了大量的内生颗粒,此时冷却速度进一步降低,生成的颗粒长大,较外壁粗

8、大,而且, 基体组织也明显粗化。(a外壁 (b中部 (c内壁图1 离心铸造Al/M g2Si原位复合材料中梯度分布的显微组织 33Fig.1 Graded microstructures of th e in-situ Al/M g2Si composite图2 离心铸管由外壁向内壁的H V和HB硬度分布Fig.2 HV and HB hardness of the tube composite fromoutside w all to inside w all硬质颗粒的存在,显然会提高材料的宏观和微观硬度,管材内外壁高体积分数的颗粒增强相使其硬度高于管壁的中部。但高体积分数的颗粒密集分布于基

9、体中,局部区域还出现颗粒团聚现象,大大降低了材料延缓裂纹扩展的能力 3 。同时,对基体的分析也表明,此时的基体组织也有脆断的倾向 4 。因此,管材内外壁的拉伸强度和伸长率均低于中部。对外加颗粒在离心力场中的理论计算可得到颗粒的分布梯度 5,6 ,这时不考虑温度的影响。由于M g2Si颗粒增强相原位生成的特性,对增强相梯度分布的理论描述较困难, 必须考虑在离心力场和不断变图3 离心铸管不同部位的拉伸性能Fi g.3 T ensile properties of the com posite in differentparts of as-cas t tube specimen化的温度场的共同作用

10、下,内生颗粒的形成和分布。对该体系的深入分析正在进行中。三、结论利用原位法结合离心铸造工艺,成功地制备了内外壁均含颗粒增强相的Al/Mg2Si原位金属基复合材料管材。在现行工艺下,离心铸管内外壁均含高体积分数的增强相,具有较高的宏观和微观硬度。参 考 文 献1 E. E.S chmid et al.Z.M etall.,1990,81:8092 M.M abuchi and K.higashi.Acta M ater.,1996,44:46113 J.Valer Goni et al.Key Eng.M ater.,1997,127131:9114 J.Zhang et al.J.M ater

11、.Res.,in Publish5 Qingmin Liu et al.M etall.M ater.Trans.,1996,27(B:10256 张宝生等.铸造,1995(3:6(编辑:郭桂林1998年6月23日收到初稿,1998年7月7日收到修改稿。复合氧化物喷涂金属型铸造纯钛的界面反应研究哈尔滨工业大学(哈尔滨150001 丁宏升 郭景杰 苏彦庆 贾 均提要 应用等离子喷涂的方法,在板状碳素钢基底上喷涂了分别添加SiO 2和T iO 2的ZrO 2、不同含量Y 2O 3稳定的ZrO 2复合耐火氧化物涂层,组成金属型后,进行了铸造工业纯钛的试验研究,借以考察复合耐火氧化物涂层对纯钛试样的表

12、面污染情况。分析结果表明,复合涂层中,SiO 2的添加,加剧了界面反应;T iO 2的添加,使界面反应性有所减弱。关键词:ZrO 2复合氧化物 涂层 钛 铸型界面反应Study on Interface Reaction betw een Pure T i andM etal Mold Sprayed by Composite Ox idesDing Hong sheng,Guo Jingjie,Su Yanqing,Jia Jun(H arbin University of TechnologyAbstractInvestig ations have been carried out int

13、o the commercial pure titanium in metal mold sprayed by com -posite ox ide coating composed of ZrO 2w ith SiO 2or TiO 2respectively,stabilized by a varying amount of Y 2O 3,in order to observe the interface reaction betw een pure titanium and composite ox ide coating.T he results showed that the con

14、tamination wold be promoted w hen SiO 2w as added to composite coating,while it can be reduced after the addition of TiO 2. 金属型铸造一直是制造低成本钛及钛合金零件的主要成形方法 13 。为了改善金属型的使用性能,采用在金属型工作表面喷涂涂料的方法是比较有效的。然而,降低涂层材料的成本和改善喷涂工艺是获得高质量、低成本钛及钛合金铸件的关键。同时,钛在高温熔融状态下所具有的高化学活性始终阻碍着钛铸造技术的应用4,5,有关钛液与喷涂材料的界面反应的研究,缺乏系统的报道。由于等

15、离子喷涂技术已经在陶瓷涂层制备方面得到了成熟的应用 6 ,进而考虑到对钛熔体具有一定化学稳定性的耐火氧化物材料,作者在简单氧化物喷涂的基础上,选择常用的低成本氧化物如SiO 2和T iO 2作为添加成分,借助等离子喷涂手段,在金属衬底上进行喷涂之后,重点考察其界面反应性,以期进一步指导金属型铸造钛及钛合金的工艺实践。一、试验及分析方法涂层材料选择并编号为:B 11 50vol%ZrO 2+50vol%SiO 2;B 12 50vol%ZrO 2(4mol%Y 2O 3稳定+50vol%SiO 2;B13 50vol%ZrO 2(8mol%Y 2O 3稳定+50vol%SiO 2;B21 50vol%ZrO 2+50vol%TiO 2;B22 50vol%ZrO 2(4mol%Y 2O 3稳定+50vol%TiO 2;B23 50vol%ZrO 2(8mol%Y 2O 3稳定+50vol%TiO 2。采用适当地喷涂工艺在金属底板上