喷射沉积高硅铝合金

1、喷射沉积过共晶铝硅合金的组织和半固态成形1 研究背景 过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨材料，具有密度小，热稳定性好，耐磨性高等优点，而且随着含硅量的增加，其密度将进一步减小、热稳定性和耐磨性将进一步提高。普通铸造成形时，析出粗大的初生硅，破坏了基体的连续性，显著降低合金的强度、韧性，限制其应用范围。近年来英国、美国、日本等工业发达国家采用喷射沉积快速凝固技术制备高硅含量的过共晶铝合金，取得了令人鼓舞的结果，他们正在致力于开发高性能的产品。 喷射沉积可以直接形成棒、环、管、板等规则形状的坯料，且这种沉积坯料的致密度很难达到100%，一般都要经过后续的二次成形，二次成形的主要方法是固态挤压，对于高硅

2、含量的过共晶铝合金，组织含有大量的高硬度的硅相，固态挤压成形比较困难。因此本研究项目将半固态触变成形应用到喷射沉积过共晶铝合金的二次成形中，利用半固态成形阻力小；尺寸精度高的优点，生产复杂形状的耐磨零件，开辟一条喷射沉积材料的致密化和二次成形的新途径，为航空、航天、汽车、电子等工业部门开发轻质的、高性能的耐磨零件。2 喷射沉积过共晶铝硅合金坯料的制备nozzlepowerN2furnacestoppertundishstreamdropletbilletlasersubstancerotation unit2.1 实验设备和方法 喷射沉积实验是在北京科技大学新金属材料国家重点实验室的喷射沉积设

3、备上进行。该设备的主要特点：q感应电炉熔化q环空式雾化喷嘴q倾斜沉积基板q激光限位控制拉坯速度 实验有关参数：熔体过热度：100；飞行距离：400mm和500mm；沉积基板倾斜：300，沉积基板直径：140mm偏心距：20mm、30 mm、50 mm。图2.1 喷射沉积设备示意图(a)(c)(e)(b)(d)(f)图2.2 喷射沉积过共晶铝硅合金坯料照片 (a)B3；(b)B4; (c)B5; (d)B6; (e) B1; (f)B2偏心距20mm偏心距30mm偏心距50mm1）含硅量对过共晶铝硅合金常规凝固组织的影响 随着硅含量的增加，初生硅数量增加，尺寸变大，初生硅相的形状有从块状向长条状

4、变化的趋势。图3.1 金属型铸造过共晶铝硅合金的凝固组织 (a)Al-20wt%Si； (b) Al-25wt%Si； (c)Al-35wt%Si ； (d) Al-40wt%Si 3 喷射沉积过共晶铝硅合金的凝固组织及其形成机理喷射沉积过共晶铝硅合金的凝固组织及其形成机理3 3.1过共晶铝硅合金的常规凝固组织2）冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响 随着冷却速度的增加，初生硅相的尺寸减小，形状由长条状转变为多角状；当冷却速度增大到一定程度（约101K/sec），凝固组织中出现了枝晶状相。过共晶铝硅合金的平衡凝固组织初生硅和（ +Si）共晶体组成，共晶硅呈针状。1K/s0.5K/s10K/s

5、10K/s图3.2 冷却速度对Al-30wt%Si合金凝固组织的影响 (a)炉冷试样；(b)保温砖型铸造试样; (c)和 (d)金属铸造试样的飞边（厚度约为0.2mm)(a)(b)50m3.2 喷射沉积过共晶铝硅合金沉积态组织1) 无典型的共品组织：沉积态组织由Si+相组成，没有针状共晶硅，如图3.3所示2) 硅相为细小块状或颗粒状：20%Si铝合金中硅相的尺寸为1-6m，30%Si铝合金中硅相的尺寸为4-10m。图3.3 喷射沉积过共晶铝硅合金的凝固组织 (a)Al-20wt%Si； (c)Al-30wt%SiconnectABCD。3）硅相颗粒有粘连和聚结现象：数个硅颗粒聚结在一起，有的甚

6、至连成了一片。如图3.4中可以看出A、B、C、D四个硅颗粒粘连在一起。4）靠近沉积基板处的组织十分细小，在普通光学显微镜下难于观察清楚，在电子显微镜下可以看出其组织仍然是由Si相和基体相组成，硅相大多成颗粒状，其尺寸在0.5-2m，如图3.5所示。图3.5 喷射沉积Al-20wt%合金坯料靠近沉积基板的组织图3.4 喷射沉积Al-20wt%合金沉积坯料的凝固组织的SEM照片图3.6 不同粒径的过喷粉末的凝固组织(a) 粒径约20 m (b )粒径约50 m (c)粒径约100 m 3.3 过喷粉末的凝固组织 实验发现过喷粉末的凝固组织显然不同于沉积坯料的沉积态组织，过喷粉末的凝固组织由初生硅、

7、（+Si）共晶体和枝晶状相组成，初生硅为的块状，共晶硅为细小粒状，相数量较多，且大都呈枝晶状，与金属型铸造试样的飞边的微观组织相近，但组织更为细小。图3.7 不同粒径的过喷粉末中初生硅平均尺寸y = 0.6197x0.430901234567050100150200Diameter of overspray power(m )Average size of siliconcrystal(m )adda_初生硅相的平均尺寸 D过喷粉末的直径da=0.6197D 0.4309 （1） 随着过喷粉末粒径的增大，其初生硅相的平均尺寸加大，通过图象分析测量不同粒径的过喷粉末的初生硅尺寸，结果如图3.9，

8、数学回归得出过喷粉末的粒径与符合如下拟合方程：3.4 喷射沉积过共晶铝硅合金凝固过程和机理分析 在喷射沉积过程中熔体经历了飞行阶段快速冷却和沉积阶段慢速冷却两个不同的冷却阶段，熔体在飞行阶段的冷却速度可以达到103-105K/s ，而沉积阶段的冷却速度小于10K/s。 22mii2)dln()d(ln(exp21dP020406080100120140160180200024681012Weight percent%Droplet diameter(m)mushy1dmDs*DL*图3.8 雾滴粒径分布示意图1） 飞行阶段雾滴的状态分析 雾滴的粒径分布基本符合对数正态分布规律：（2） 粒径不同

9、的雾滴在飞行阶段所受到的冷却作用是不相同的，大粒径雾滴冷却慢，小粒径雾滴冷却快。其凝固程度不同。 存在临界粒径的雾滴：沉积时刻全固相雾滴的临界粒径DS* 和沉积时刻全液相雾滴的临界粒径DL* 。)TT(cHU/L)TT(h6DEssmmave0gE*S)TT(cU/L)TT(h6DNsLmave0gN*LDDS* 小粒径的雾滴在飞行阶段全部凝固，其凝固组织应与过喷粉末的凝 固组织一致，由初生硅、（+Si）共晶体和枝晶状相组成 。 DS*DDL* 大粒径的雾滴在飞行阶段不发生凝固 m合金液的密度； Hm结晶潜热；TE、Tg、TN分别是共晶温度、气体温度和形核温度；fs已结晶出的固相分数；L0飞行

10、距离；Uave雾滴的平均速度；CL、CS分别为固/液混合体、液相和固相的比热；h结晶潜热。（3）（4）2）沉积阶段不同状态的雾滴的行为 V1V2V312345LiquidSemi-solidSolidMushy图3.9 雾滴沉积在半固态层的过程示意图DDL*DS*DDL* DDS* 全液态雾滴（图中的1号），沉积在沉积体表面时，由于撞击作用而产生极大的铺展，与沉积体表面半固态层的液相溶为一体，并且填补沉积在表面的全固态雾滴或高固相分数半固态雾滴之间的空隙，起填补和粘连作用，使沉积体获得一定的致密度； 中等粒径的雾滴（图中的2号），在飞行阶段发生部分凝固，沉积时刻处于半固态状态，撞击沉积体表面将

11、会产生一定程度的半固态流变变形，这种状态的雾滴的数量占多数，对沉积体凝固起主导作用； 小粒径全固态雾滴，射入沉积体表面的半固态层中，被半固态层和后续沉积下来的高温雾滴重新加热，其温度回升，有可能发生局部重熔，也有可能作为剩余液相凝固的结晶核心（或母相），对沉积体凝固组织有细化的作用。3）雾滴凝固组织中枝晶状的形成机制Tem660EDCBAEutectic growth areaC0CLAlSi1414577SiPhase 99.83C0 CLi 飞行阶段凝固的雾滴组织一个重要的特征是凝固组织中出现了大量的枝晶状相，认为这种相是由于初生硅相析出时，固液界面的扩散层内溶质的不均匀分布所引起的。 因

12、初生硅相的硅含量高达99.83%，几乎是纯硅相，硅相生长需要大量的硅原子或铝原子扩散迁移，而快速凝固条件下，溶质的扩散成为晶体生长的限制环节，溶质元素来不及扩散，在固液界面上产生一贫硅层。 对于成分为C0的合金在析出初生硅相后，固液界面上贫硅层中的液相可能在如图3.10的E点形核生长出枝晶状的相图3.10 Al-Si二元合金相图和共晶共生区 图3.11 初生硅固液界面上贫硅区示意图 4）喷射沉积过共晶铝硅合金典型组织形成机制存在两种机制（a)小粒径雾滴的共晶体重熔与粗化机制 对于小粒径全固态雾滴沉积时嵌入半固体层，其温度回升，雾滴将会发生局部重熔，首先熔化的是（+Si）共晶体。相和初生硅可能熔

13、化或溶解。图3.12 喷射沉积Al-20wt%Si坯料靠近基板位置的微观组织嵌入沉积体表面全固相颗粒在沉积阶段慢速冷却的条件下还可能以共晶硅粗化方式进行组织演变，小尺寸的共晶硅溶解，大尺寸共晶硅不断长大，以致于在最后沉积体组织中与先析出的初生硅难于区分开来 。 从图3.12靠近基板位置能观察到一些球形的区域，是因靠近沉积基板处冷却速度快，半固态层的温度低凝固时间短，其原有的形态仍能保持下来。（b)离异共晶机制 沉积体的剩余液相接近共晶成分，在沉积体缓慢冷却的条件下这些剩余共晶液相不必进行共晶形核，而是依附已有的硅相和相离异生长。 这种离异共晶转变有两个必要条件，必须有大量的硅相和相存在，硅颗粒

14、的平均自由程要小；必须在比较缓慢的冷却条件下，实现原子的充分扩散。PowerDWT-702581Sample图3.13 过喷粉末部分重熔实验示意图 过喷粉末部分重熔实验证明了离异共晶机制。 实验采用重熔控温设备如图3.13所示，该设备是由校正热电偶的设备改装而成，其控温精度可达1，将喷射沉积Al-30wt%Si过共晶铝硅合金过喷粉末在此设备迅速升温至581，保温时间为60s使其均匀化，然后缓慢冷却至室温，冷却速度控制在510K/s 。 实验观察过喷粉末部分重熔后前后组织变化。 实验结果表明，存在于过喷粉末中的共晶组织在部分重熔后消逝，如图3.14所示。证明在沉积阶段慢速冷却条件下，沉积体表面的

15、液相的共晶凝固是以离异共晶的方式进行，因此在喷射沉积坯料的凝固组织中没有典型的共晶组织。图3.14 Al-30wt%Si合金过喷粉末部分重熔前后的组织 (a) 重熔前 (b)重熔后4.1 半固态触变成形设备与方法 半固态触变成形实验是如图4.1所示半固态成形试验设备进行，该设备最大压力为10吨。本实验选定选定的触变成形温度：581。 半固态挤压压力：20-40Mpa；挤压速度：0.96m/s；压室预热温度：100-200。 按照成形件的体积大小，从沉积坯料上截取适当的尺寸大小的坯料，在电阻加热炉中进行二次加热。在坯料埋置一热电偶，监测试样的加热温度，500前快速加热，500后，慢速加热。 4

16、喷射沉积过共晶铝硅合金的半固态触变成形喷射沉积过共晶铝硅合金的半固态触变成形图4.1 半固态触变成形装置示意图1-锁型缸 2-横梁 3-压型 4-压室 5-压射缸 6-传感器 7-底座4.3 喷射沉积过共晶铝硅合金的触变成形实验结果1）半固态浆料具有很好的流动性和充填性能。 实验发现过共晶铝硅合金浆料进入分型面上很小的缝隙中，形成飞边毛刺，实验测量最小飞边厚度仅为0.06mm，如图4.2 是半固态成形试样的实物照片，半固态浆料在分型面上0.2-0.4mm厚度的缝隙中流动长度约60 mm，形成较大的飞边，微观检查表明在这些飞边中仍有很细小的初生硅相，证明这种飞边并不是半固态中纯液相流动的结果，而

17、是硅相与共晶液相的混合浆料流动的结果。如图4.2(b)所示。图4.2 喷射沉积Al-30wt%Si合金成形试样实物照片 (a) 和其微观组织 (b)(a)(b)浆料流动方向2）喷射沉积过共晶铝硅合金坯料半固态触变成形的阻力小，实际成形压力比热挤压降低了一个数量级。3）在实验触变成形温度下具有良好的形状保持性，在半固态状态下可以很方便地搬运。4)半固态触变成形后微观组织中硅相的分布更为均匀，在沉积态组织中极个别的微区能发现硅相集聚区，如图4.3（a）所示，而在半固态触变成形试样的微观组织中这种现象有所改善。 图4.3 喷射沉积Al-30wt%Si合金触变成形前后的微观组织 (a)成形前 (b)成

18、形后5 喷射沉积过共晶铝硅合金的磨损性能5.1 磨损实验方法 磨损实验在ML10销盘式磨损实验机上进行。设备如图5.1是该设备的示意图。磨损方式为干磨，磨损性能衡量标准为失重法。Controllerloadholdersamplediskrevolver 对磨金属盘采用45钢。硬度为22.8 HRC，尺寸为1268mm。 转速为120r/min。 试样尺寸为622mm。 磨损前后试样经酒精清洗干净后，采用DT100万分之一光电天平称重，为保证实验的精度，每次个试样都要进行预磨30分钟，以保证试样与转盘充分接触。图5.1 磨损设备示意图11.55.639.066.7324.1321.3942.1

19、8051015202530354045平衡凝固 耐火砖型铸造 金属型铸造 喷射沉积 触变成形 relative wear resistance to P30Al-30SiAl-20Si5.2 磨损实验结果 实验测量不同试样的磨损失重，按=1/W式计算出试样的耐磨性，并且分别计算出相对于Al-30wt%Si合金炉冷试样的相对耐磨性。磨损实验结果5.2，可以看出： 1）对于同种成分的合金，随着凝固时冷却速度加快，凝固组织中初生硅或硅相尺寸减小，合金的耐磨性显著增加，喷射沉积Al-30wt%Si合金的耐磨性是金属型铸造试样的7倍多，是耐火砖型铸造试样的28倍多，是近平衡凝固试样的42倍多；图5.2

20、磨损实验结果2）金属型铸造Al-20wt%Si合金的耐磨性优于金属型Al-30wt%Si合金，说明在常规金属型铸造条件下，硅含量的增加，过共晶铝硅合金耐磨性下降； 3）喷射沉积Al-30wt%Si合金的耐磨性是喷射沉积Al-20wt%Si合金的1.75倍，这说明在相同喷射沉积条件下，随着硅含量的提高，过共晶铝硅合金的耐磨性提高。 用扫描电镜对磨损试样的磨面形貌进行观察表明不同条件下制备的过共晶铝硅合金的磨损表面的形貌存在很大差别：1）炉冷试样和耐火砖铸造试样的磨面出现较多的尺寸较大的剥落坑，大部分剥落坑呈长条状，如图5.3（a）耐火砖型铸造试样的磨面照片的A处，且炉冷试样的剥落坑尺寸大于耐火砖

21、铸造试样，很显然这是粗大的初生硅相在反复摩擦过程中断裂而发生剥落所致，从图3（a）还可以看出剥落坑底部硅相解理断裂的痕迹。2）金属型铸造试样磨面上也能观察到这样的剥落坑，但数量很少，尺寸较小，主要是犁沟磨痕，如图5.3（b）所示。3）喷射沉积S20和S30试样的磨面只观察到犁沟磨痕，未观察到剥落坑。如图4（c、d）分别是喷射沉积Al-20wt%Si和Al-30wt%Si磨面照片，与金属型铸造试样磨面相比较，其磨面更为平整，犁沟磨痕深度浅，宽度小。 5.3 磨损表面亚表层的观察结果 (a)(b)(c)(d)A图5.3 磨损表面的形貌(a)保温砖型铸造的Al-30wt%Si 合金 (b)金属型铸造

22、的Al-20wt%Si合金 (c)喷射沉积Al-20wt%Si 合金 (d)喷射沉积Al-20wt%Si 合金 磨损亚表层的金相照片，在炉冷试样和耐火砖型铸造试样的磨面上存在初生硅相的剥落坑，图5.4（a）的A处是初生硅相的剥落坑，并且剥落坑底部的裂纹沿图示的箭头方向向亚表层和纵深处继续扩展，当扩展到初生硅板条时，裂纹扩展方向发生改变，沿初生硅长度方向扩展，多条裂纹扩展连结，形成包围圈后将会产生大块剥落。图5.4（b）是喷射沉积试样S30的磨损亚表层的金相照片，可以看出其磨面比较平整，磨面上没有观察到剥落坑，这与SEM观察结果相同，在磨面的局部区域发现有细小硅相的密集区，图5.4（b）中B处，这可能与摩擦热作用和局部绝热应变有关，由于喷射沉积过共晶铝硅合金的+Si快速凝固组织中 固溶Si量高于平衡状态固溶量，在摩擦