喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析.pdf

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第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N O i l f e r r o u M e t a l s V 0 1 .5 6 ,N o .3 A u g u s t 2 0 0 4 喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析 张建,赵润娴,刘杰,崔宏祥,毕大森 天津理工学院材料科学与工程系,天津3 0 0 1 9 t 摘要用自行研制的喷射装置制备硅铝合金坯体,分析喷射沉积坯体的组织结构及固溶处理后的组织变化,测试对热挤压 后坯件拉伸、表面硬度、耐磨等性能。在较高过冷度下,熔体形核率增加、沉积时液滴的冲击使初生硅破碎,细化了硅铝合金组织。 固熔处理温度、保温时间对硅铝合金组织影响较大。喷射沉积挤压硅铝合金力学性能与铸造组织相比,抗冲击性能大幅提高,硬 度提高3 0 %,耐磨性提高2 5 %。 一 关键词材料科学基础;硅铝合金;喷射沉积;热挤压;固溶处理;坯体 中图分类号T G l 4 6 .2 1 ;T G l l 3 .2 5 ;T G l l 3 .1 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 0 1 一0 3 硅铝合金组织中的粗大针状共晶硅和块状共晶 硅限制了其在工业上的应用,虽然近年来采用变质 处理、低温铸造法、超声振动、电磁搅拌法等方法细 化晶粒,但组织中粗大的初生硅的细化问题解决得 不理想。喷射成型是一种新的材料成型技术,是快 凝技术的进一步发展,该技术制备的材料组织均匀 细小。利用喷射成型技术制备了Z L - 1 0 2 合金的喷 射沉积坯件,热挤压后的坯体进行固溶处理,晶粒虽 然有所长大,但未见粗大的初生硅和针状硅。 1实验方法 试验采用白行设计的P S - 1 型喷射沉积实验装 置,硅铝合金喷射材料成分见表1 。喷射沉积雾化 气体为N 2 ,环型喷嘴,雾化压力0 .5 ~0 .8 M P a ,熔体 温度7 0 0 - - 8 0 0 “ C ,接收高度2 2 0 ~3 0 0 m m 。 表1 铝硅合金成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fA I S ia l l o y 堕坌皇壁生坐坚呈塾竺型 含量/%1 30 .5 一 一0 .3 一一 余量 喷射后从硅铝坯件上截取1 0 m m 1 0 m m 1 5 r a m 制备金相试样,经5 %H F 腐蚀后在O L Y P U S 金相显微镜下进行组织观察。热挤压后试样进行机 械性能测试试验和固溶处理。 收稿日期2 0 0 3 0 6 1 7 基金项目天津市自然科学基金资助项目 0 0 3 6 1 1 0 1 1 作者简介张建 1 9 5 3 一 ,男,天津市人,教授,硕士,主要从事金 属材料成形技术与工艺的研究和教学工作。 2 试验结果及分析 2 .1 喷射沉积坯的组织 金相显微镜下观察喷射沉积后硅铝合金的组织 与铸造后组织相比,共晶硅和粗大的初生硅明显细 化。铸造硅铝合金组织为粗大的针状共晶硅和块状 初生硅,不均匀分布于铝基体上,见图1 a 。喷射 沉积硅铝合金的组织,在铝基体上弥散分布有细小 颗粒状初生硅、极少量的细小针状硅和一些孔洞。 颗粒状初生硅尺寸约为l t t m ,针状共晶硅尺寸为 2 t t m ,见图1 b 。沉积坯件经1 0 0 ℃热挤压后孔洞 基本消除,组织致密度增加,铝基体上共晶硅颗粒大 小基本上没有明显的变化见图1 c 。2 0 0 ℃热挤压 后,喷射沉积硅铝合金组织致密度进一步增加,硅颗 粒有所增大,约为2 /吐m o 2 .2 喷射坯件固溶处理后的组织 热挤压后喷射坯件经过5 4 0 ~5 7 0 ℃、固溶处理 1 ,2 ,4 h 保温后水冷,合金的组织变化如图2 所示。 经5 4 0 ℃加热保温l h 后基体与初晶硅尺寸和形状 变化不大,随保温时间延长,基体与初晶硅的尺寸略 有增大,初晶硅有由颗粒状变成条状和较小的块状 的倾向,见图2 a 。5 7 0 ℃固溶处理经1 ,2 ,4 h 保温 组织中硅晶粒变化较明显,保温时间延长,基体和硅 相进一步长大,尤以保温4 h 晶粒长大倾向较为突 出,条状硅变为针状,初生硅尺寸增大,针状硅尺寸 约5 , u m ,但仍未见粗大的初生硅,见图2 b 。 2 .3 分析与讨论 显微镜下观察表明,喷射沉积后合金组织细小 均匀。由于熔融金属在流动过程中受到高动量、高 能量气体作用,使金属流形成大量雾状金属小液滴, 万方数据 2有色金属 第5 6 卷 雾化阶段的冷却速度可达1 0 3 K /s 。雾化过程中雾 化锥中的小液滴本身和周围的温度场之间形成较高 温度差,小液滴向周围气体辐射热,迅速降低了自身 的温度,形成了较高的过冷度,造成小液滴在极短时 间内的快速凝固,推迟了晶核的形成,抑制了晶核的 长大,细化了初生硅。雾化锥中的液滴在沉积过程 中,受雾化气体的作用加速向接收器表面撞击,导致 ’ 已凝固了的枝晶硅破碎、变形,使硅颗粒数量增加, 成为非均匀形核的核心。同时已凝固的液滴在接收 器表面堆积、焊合时,由于结晶潜热作用使局部发生 重熔,凝固液滴中尚未凝固的液相中的硅得以长大, 液相的快速凝固又使得硅原子扩散距离缩短,硅原 子长大受到一定的限制,致使沉积后的坯件组织中 硅晶粒非常细小,针状硅也非常细小,形成了不同于 铸造的组织。 a 一铸造合金组织1 0 0 0 x ; b 一喷射后合金组织1 0 0 0 x ; c 一1 0 0 t 3 热挤压后的组织1 0 0 0 ; d 一2 0 0 “ c 热挤压后组织1 0 0 0 x 图1 喷射沉积挤压后组织 F i g .1 T e x t u r ef o r8 p r a y i n gd e p o s i t i o na n de x t r u s i o n 图2 不同温度固溶处理硅铝合金的组织 F i g .2 S i A Ia l l o yt e x t u r ea n n e a l i n ga t8 1 3 Ka n d8 4 3 K 固溶处理的试件随加热温度的提高,使S i 在 口一A 1 中的固溶度下降,S i 相析出,伴随着S i 颗粒长 大,加热温度提高,保温时间延长,都会使硅进一步 长大。所以5 7 0 ℃固溶处理较5 4 0 ℃固溶处理后,组 织中初生硅与共晶硅进一步长大。 3 合金的力学性能 表2 为热挤压后合金的力学性能。从表2 可 万方数据 第3 期张建等喷射沉积硅铝合金组织结构与性能的分析 3 知,喷射沉积合金热挤压后较铸态合金抗冲击性有 大的提高,硬度也较挤压前提高了3 0 %。磨损试验 证明,喷射沉积坯件经挤压后耐磨性较铸态合金提 高2 5 %,见图3 。 表2 硅铝合金机械性能 T a b l e2m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fS i A Ia l l o y 4结论 喷射沉积硅铝合金在较高的过冷度下,熔体形 核率增加、沉积时液滴的冲击使初生硅破碎,细化了 硅铝合金的组织。固熔处理温度、保温时间对硅铝合 金组织影响较大,喷射后合金组织经固熔处理有显著 的变化。喷射沉积挤压硅铝合金力学性能与铸造组 参考文献 图3 硅铝合金磨损量与时间的关系 F 堰.3W e a r i n gq u a n t i t yt w At i m er e l a t i o n 啾0 f 辫ma 岍 织相比有较大的提高,抗冲击性能大幅提高,硬度提 高3 0 %,耐磨性提高2 5 %。进一步优化热挤压工艺, 将使坯体的致密度增加将进一步提高力学性能。 [ 1 ] 张济山,崔华,段先进,等.雾化喷射沉积中沉积体内的凝固过程 I 址C u 合金的计算[ J ] .北京科技大学学报,1 9 9 7 , 1 9 1 2 2 2 7 . 【2 ] 王建强.喷射成形技术的研究发展及展望【J ] .世界科技研究与发展,2 0 0 0 ,2 2 1 6 2 6 5 . [ 3 j 米国法,李周,张智慧,等.喷射沉积高温合金的显微组织及其力学性能[ J ] .航空材料学报1 9 9 8 ,1 8 1 2 3 2 8 . [ 4 ,赵润娴,张建,刘杰,等.不同喷射沉积工艺对硅铝合金组织的影响分析[ J ] .天津冶金;2 0 0 2 , 4 6 7 . T e x t u r ea n dP r o p e r t yo fS p r a y i n gD e p o s i t i o nS i A lA l l o y Z H A N GJ i a n ,Z H A OR u e n x i a n ,L j UJ i e ,C I UH o n g - c i a n g ,B ID a s 荫 D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,T i a n f i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ,T i a n j i n3 0 0 1 9 1 ,C h i n a A b s t r a e t T h er o u g hb l a n ko fS i A Ia l l o yi sp r e p a r e db ys e l f - m a d es p r a y i n gd e p o s i t i o na p p a r a t u s ,t h et e x t u r eo fr o u g h b l a n ka n dt h es t r u c t u r ee v o l u t i o na f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n ta r ea n a l y z e d ,a n dt h ep r o p e r t i e sf o rs t r e t c h i n g , a b r a s i o na n ds u r f a c e h a r d n e s sa r ed e t e r m i n e d .U n d e rt h ed e e po v e r - c o o l e dc o n d i t i o n ,t h ep r i m a r ys i l i c o ni sb r o k e n a n dt h eg r a i ns i z eo ft h er o u g hb l a n kt e x t u r ei sf i n e db yt h ee f f e c t so ft h ei n c r e a s eo fn u c l e u sf o r m a t i o nr a t e a n dt h ea l l o yd r o p si m p a c tw h i l ed e p o s i t i n g .T h e r ea r eo b v i o u se f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dr e t e n t i o nt i m ef o rs o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n to nt h er o u g hb l a n kt e x t u r e .C o m p a r e dt ot h ec a s t i n gt e x t u r ei nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ,t h e s h o c kr e s i s t a n c eo ft h er o u g hb l a n kt e x t u r ei sg r e a t l yi n c r e a s e d ,t h eh a r d n e s si si n c r e a s e db y3 0 %,a n dt h e a b r a d a b i l i t yb y2 5 %. K e y w o r d s f o u n d a t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e ;S i A 1a l l o y ;s p r a y i n gd e p o s i t i o h ;h e a t i n ge x t r u s i o n ;s o l i ds o l u 一 .t i o nt r e a t m e n t r o u g h h o d v 嘲鞲越 万方数据
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