粉末锻造过程中Al-Si合金块体材料的微观结构变化.pdf

第6 1 卷第3 期 2O O9 年8 月 有色金 属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o L6 1 ．N o ．3 A “g ． 20O9 粉末锻造过程中A l S i 合金块体材料 的微观结构变化 燕顺，刘锦云，胡绍磊，颜燕，金梦，程瑜，查五生 西华大学材料科学与工程学院，成都6 1 0 0 3 9 摘 要用粉末冶金法制备A 1 ．s i 共晶合金块体材料，研究烧结过程及冷锻工艺对块体材料显微形貌和抗压强度的影响。结 果表明，合金颗粒在烧结过程中发生局部熔化，烧结坯的显微形貌呈现出带有较多孔隙网状结构，锻造坯的粉末颗粒在压力作用 下彼此啮合，孔隙大大减少，成为更为致密的连续体，相对密度达到了9 7 ％。烧结和冷锻都能大幅度的提高材料的抗压强度，由于 锻造坯的孔隙度远远小于烧结坯，锻造坯具有更好的塑性和更高的相对密度。 关键词金属材料；A l s i 合金；烧结；冷锻；显微结构；抗压强度 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T F l 2 4文献标识码A文章编号l o o l 0 2 1 l 2 0 0 9 0 3 一0 0 1 0 0 3 密度小、比强度高的铝合金，广泛应用于航空工 业和汽车工业。1 ，特别是耐热强度突出的烧结高 硅铝合金制品，可以用作内燃机的活塞材料、热交换 器材料以及原子能固体燃料。铝合金的传统加工方 式主要是铸造和锻造，但近年来，粉末冶金法制备铝 制品的工艺开始出现，以获得尺寸精度高的零 件嵋“。。粉末冶金法可制备内部成分均匀、强度大、 硬度高的铝合金制品，但韧性和抗冲击性能低、耐蚀 耐磨性差的缺点，限制了粉末冶金铝制品的更广泛 应用。刘改华等通过反复试验，获得了相对密度高、 外观平整和内部几乎没有空隙的样品“ “1 。应用粉 末冶金工艺制备了A 1 ．s i 共晶合金样品，通过观察 显微组织结构及测试其抗压强度来讨论烧结和冷锻 对A l s i 共晶合金显微形貌和抗压强度的影响。 1实验方法 将粒度约为1 0 0 斗m 的A 1 ．s i 共晶合金粉末，利 用模具在液压机上压制成粉坯，在真空烧结炉中将 粉坯加热到5 5 5 ℃并保温4 h ，再将随炉冷却制备的 烧结坯模锻，得到冷锻坯。用排水法测量密度，用 s G Y 5 0 型陶瓷强度试验机测试粉坯、烧结坯和冷锻 坯的抗压强度，用E M A xS 一3 4 0 0 N 扫描电子显微 镜 S E M 观察微观结构。 收稿日期2 0 0 9 一0 2 一 作者简介燕顺 1 9 8 5 一 ，男，武汉市人，硕士生，主要从事铝合 金粉末锻造工艺与性能等方面的研究。 2 试验结果与讨论 不同坯料状态下的相对密度与抗压强度如表1 所示。圆柱体粉坯的相对密度约为7 8 ．5 ％，烧结坯 的相对密度相对粉坯没有明显变化，约为8 0 ％，冷 锻坯的相对密度相对烧结坯提高了2 l ％，达到了 9 7 ％。抗压强度也随着相对密度的增加而逐步增 加。粉坯的抗压强度最小，仅为6 1 M P a ，烧结坯的抗 压强度较粉坯提高了将近5 倍，达到了2 9 2 M P a ，冷 锻坯的抗压强度也比烧结坯提高了2 2 ％，达到了 3 5 6 M P a 。 表1不同坯料状态下的相对密度与抗压强度 T a b l e lR e l a t i v ed e n s i t ya n dc o m p r e s s i v e s t r e n g t hi nd i f f b r e n ts t a t u s 图l 为粉坯、烧结坯与锻造坯的横截面和纵截 面的显微形貌照片。 由图1 a 和图1 b 可见，粉坯中的A l - S i 共晶 合金颗粒相互独立，没有形成粘结，颗粒间存在较大 的未闭合孔隙，原本近似球形的合金颗粒在压制力 作用下发生塑性变形，成为扁长状，部分颗粒甚至出 现了破裂。由于粉坯相对密度较低，颗粒之间未形 成连续的致密结构，使得粉坯的塑性很差，抗压强度 仅为6 1M P a ，稍稍施加外压力粉坯就会破碎。 图1 c 和图l d 分别为烧结坯横截面和纵截 万方数据 第3 期燕顺等粉末锻造过程中A l s i 合金块体材料的微观结构变化 面微观形貌扫描图片。由于烧结温度接近A l s i 共 晶合金的共晶点温度 5 7 7 ℃ ，块体材料内部的局 部区域发生了熔化，破坏了颗粒之间致密的氧化铝 薄膜，颗粒之间的物质迁移得以实现，彼此粘结，实 现了冶金结合。在照片中可以清楚观察到，颗粒间 形成了烧结颈，且烧结坯横截面和纵截面微观形貌 相似，纵、横向差异不明显。由于烧结过程中相邻的 A 1 ．s i 共晶合金粉末颗粒彼此粘结，成为较为致密的 连续体，使基体保持了较好的连续性，同时，烧结坯 孔隙体积和孑L 隙总数减少，相互连通的孔隙逐渐收 缩成闭孔，且呈近似圆形。但由于烧结过程中仅发 生了局部区域熔化，基体未发生全部熔化，原子扩 散、迁移不显著，烧结颈长大不明显，因此相对密度 提高的幅度较小。烧结过程使原本独立的粉末颗粒 成为了连续的网状结构，制备的烧结坯具有良好的 塑性，能够承受较大的塑性变形，自由镦粗时不易出 现裂纹，需施加较大的锻造压力才能使样品出现裂 纹和破坏，抗压强度达到2 9 2 M P a ，大大超过粉坯。 a 一粉坯横截面； b 一粉坯纵截面； c 一烧结坯横截面； d 一烧结坯纵截面； e 一锻造坯横截面； f 一锻造坯纵截面 图1不同坯料状态下块体材料的显微结构照片 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fb l o c k si n d i “色r e n ts t a t u s 冷锻坯横截面和纵截面在s E M 下的显微形貌 分别如图l e 和图1 f 所示，很明显冷锻坯颗粒问 的孑L 隙要少于烧结坯，且横截面和纵截面微观结构 差异较大。横截面上颗粒呈近似圆形，尺寸较大，而 纵截面上，颗粒形状为扁平状，颗粒尺寸明显小于横 截面。锻造过程中，由于外压力作用，粉末颗粒重新 排列，小颗粒填充到大颗粒的间隙中。随着锻造压 力的增大，超过A l S i 共晶合金的屈服强度时，颗粒 发生塑性变形，颗粒从近似球形变化为扁平状，与外 压力方向相同一致的方向受到压缩，尺寸大大减小， 呈长条形，垂直外压力方向发生延伸，尺寸大大增 加，呈近似圆形。同时，颗粒之间的间距减小、焊合， 颗粒之间的孑L 隙大部分消失，空洞减小，致密度提 高，相对密度高达9 7 ％。因此，粉末锻造可显著提 高A 1 ．s i 共晶合金块体材料的相对密度。锻造可以 使相邻的A 1 ．s i 共晶合金粉末颗粒彼此形成更加致 密的连续体，使基体具备更好的连续性，因此锻造坯 具有更加良好的塑性，呈现出更高的抗压强度，抗压 万方数据 有色金属 第6 l 卷 强度达到了3 5 6 M P a ，比烧结坯提高了2 2 ％。 3结论 1 烧结工艺使A 1 ．s i 共晶合金粉末颗粒之间 发生了局部熔化与冶金结合，呈现出网状结构连续 体，但其相对密度未发生明显变化，块体材料中存在 较多的孑L 隙。冷锻工艺使颗粒发生塑性变形而相互 参考文献 啮合，颗粒之间的间距减小，孑L 隙缩小，从而使材料 致密，相对密度达到了9 7 ％。 2 由于烧结坯和冷锻坯的颗粒之间形成了连 续体，因此烧结坯和冷锻坯都具有良好的塑性。烧 结坯的抗压强度达到了2 9 2 M P a ；冷锻坯的颗粒结合 更加紧密，塑性更好，抗压强度达到了3 5 6 M P a 。 [ 1 ] M a n i nJM ，c a s t r oF ．L i q u i dp h a s es i n t e r i n go fP ／Ma l u m i n u ma l l o y s e f k c to fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s [ J ] ． M a t e r i a l sP m c e s s i n g T e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 0 3 ，1 4 3 1 4 4 8 1 4 8 2 1 ． [ 2 ] c h e ncM ，Y a n gcC ，C h a oCG ．An o v e lm e t h o df b rn e t s h a p ef o r m i n go fh y p e r e u t e c t i cA l s ia U o y sb yt h i x o c a s t i n gw i t hp o w d e r p e r f b 彻s [ J ] ．M a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，1 6 7 1 1 0 3 1 0 9 ． [ 3 ] s c h a f f 色rFB ，s e r c o m b eTB ，L u m l e yRN ．L i q u i dp h a s es i n t e r i n go fa l u m i n u ma u o y s [ J ] ． M a t e r i a l sc h e m i s t r ya n dP h y s i c s ， 2 0 0 1 ，6 7 1 3 8 5 9 1 ． [ 4 ] s oH ，L iwc ，H s i e hHK ．A s s e s s m e n to ft h ep o w d e re x t r u s i o no fs i l i e o n a l u m i n u ma l l o y [ J ] ． M a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ，1 1 4 1 1 8 2 1 ． [ 5 ] 刘改华，查五生，兰军，等．粉末冶金法制备铝合金块体材料的研究[ J ] ．轻金属，2 0 0 7 ， 3 5 6 5 7 ． [ 6 ] 刘锦云，邹从沛，查五生，等．烧结温度对B 4 C ．A 1 ．s i 共晶合金显微组织结构与抗压强度的影响[ J ] ．核动力工程，2 0 0 8 ， 2 9 2 5 8 6 0 ． I n v e s t i g a t i o nO nM i c r o s t r u c t u r eT r a n s f o r m a t i o no fA l - 鳓A l l O yB l o c k s Y A Ns h u n ，L l UJ t n y u n ．H Us h o o k i ，Y A NY 8 n ，J l NM e n g ，C H E N GY u ，z H AW u s h e n g c o Z f e g eQ 厂| I f 口￡e r i 口Zs c i e n c e 口n dE 增i n e e r i n g ，x i u 口u n i “ e ，苫i f ，，，c e n g d u6 10 0 3 9 ，C i n n “ A b s t r a c t T h eA 1 一S ia l l o yb l o c k sa r ep r e p a r e db yu s i n gp o w d e r m e t a l l u r g yp r o c e s s ，a n dt h ei n n u e n c e so fs i n t e r i n ga n d d i e f b r g i n go nt h em i c r o s t I ．u c t u r ea n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h eb l o c k sa r ei n v e s t i g a t e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p a r t i c l e sa r ep a r t l ym e l t e da n dl i n k e dw i t he a c ho t h e rd u r i n gs i n t e r i n g ， s ot h em i c r o s t m c t u r eo fs i n t e r i n gb l o c k si s n e t l i k e ．T h ef o r g e db l o c k sb e c o m ed e n s e l yh o m o g e n e o u sb o d yb e c a u s eo ft h ep o r o s i t yr e d u c t i o nr e s u l t e df r o mt h e p a r t i c l e se n g a g e m e n tu n d e rt h ep r e s s u r e ， a n dt h er e l a t i v ed e n s i t yr e a c h e st o9 7 ％． T h es i n t e r i n ga n dd i e f b r g i n g c a ns h a r p l yi n c r e a s et h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fb 1 0 c k s ，b e c a u s et h ep o r o s i t yo ft h eb l o c k sa f t e rd i e f o r g i n gi sr a t h e r l e s st h a nt h a tb e f o r ed i e f o r g i n g ，t h eb l o c k sa f t e rd i e f ．o r g i n gh a sab e t t e rd u c t i l i t ya n dah i g h e rr e l a t i V ed e n 新t y ． K e y w o r d s K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1 一S ia U o y s ； s i n t e r i n g ； d i ef o r g i n g ； m i c r o s t r u c t u r e ；c o m p r e s s i V e s t r e n g t h 万方数据