喷射成形al-22si%合金的致密化研究
喷射成形 Al-22Si%合金的致密化研究 赵军峰 袁晓光 沈阳工业大学材料科学与工程学院 浙江机电职业技术学院材料技术系 摘 要： 喷射沉积作为一种新型的材料制备技术, 在制备高性能材料方面具有独特的优越性。但是在喷射沉积过程中, 由于基体内含有一定的空隙导致其使用性能较差。这就要求在使用之前必须通过后续的致密化消除空隙才能真正实现其优越的性能特点。本文针对常规铸造和喷射沉积不同工艺制备的 Al-22Si 合金进行了显微组织比较, 并对喷射沉积坯料的致密化技术进行了研究。研究发现喷射成形工艺制备的 Al-22Si 合金与普通铸造下的该合金相比, 其组织细小均匀, 初晶硅相和共晶硅相均为细小的颗粒状, 经热挤压致密化后, 喷射成形技术制备的 Al-22Si 合金实现了第二相的细化, 并消除了空隙。关键词： 高硅铝合金; 致密化; 显微组织; 作者简介：赵军峰 (1983) , 男, 河南漯河人, 沈阳工业大学在读工学博士, 研究方向:铝合金。收稿日期：2017-08-12Received： 2017-08-12耐磨材料领域中, 高硅铝合金由于其优越的耐磨性具有广阔的应用前景, 但是随着 Si 含量的增加, 粗大的板条状初晶硅相出现在组织中。这导致其合金材料的强度、韧性和塑性变差, 严重限制了该合金的在工业领域的广泛使用。1材料工作者为了获得小尺寸的硅相, 改善 Si 相的形态, 使 Si 相均匀分布在基体中, 必须对高硅铝合金中的 Si 相尺寸进行细化处理。因此采用喷射技术来控制Si 相尺寸。喷射成形原理是合金中的液滴在高压惰性气体作用下雾化成细小的溶滴。高速气流下使小熔滴在飞行中强制冷却的过程, 在尚未完全凝固前沉积成坯锭的一种工艺。2由于其冷却速度非常快, 加上喷射沉积过程中雾滴对熔池的冲击作用, 导致初晶 Si 相、共晶 Si 相和 (Al, Si, Fe) 相来不及长大即被进一步冲击破碎, 使合金中的第二相得到了较大程度的细化, 并均匀分布基体上。喷射沉积是在高压下 N2将合金液滴雾化成细小的熔滴, 在高速气流下飞行冷却到运动的沉积盘上沉积而成, 所以实验过程中会有气体的卷入, 合金凝固之后, 高硅铝合计内部保留部分空隙。如果基体中有大量的空隙, 导致基体组织不再连续, 降低了喷射沉积合金的使用性能。所以沉积坯锭必须进行热挤压才能达到组织致密。31. Al-22Si 合金在常规铸造工艺和喷射成形工艺比较图 1 分别为 Al-22Si 合金在常规铸造工艺和喷射成形且致密化后的组织。可以看出, 常规铸造中为长条状的 (Al, Si, Fe) 相和粗大的初晶 Si 相, 共晶 Si相也呈短片状, 见图 1 (a) 。Si 相和 (Al, Si, Fe) 相是一种脆性相, 条状及尺寸粗大均会加剧对合金基体的割裂作用, 引起合金强度的降低, 磨损过程中脆性耐磨相容易从合金基体上脱落, 这样会导致合金耐磨性也降低。喷射成形该合金的组织与常规铸造相比, 组织十分细小, 特别是初晶和 (Al, Si, Fe) 相均变为细小的颗粒状, 块状初晶 Si 相和短片状的共晶 Si 相也变为细小的粒状相, 见图 1 (b) 。这是由于在喷射成形过程中, 整个冷却速度非常快, 严重抑制了熔体中其他合金元素的扩散, 因而形成相对细小的硅相颗粒。同时, 与常规铸造相比, 在雾化压力的作用下半固体雾滴在以较高的速度撞击到沉积盘时, 较大的冲击会使一定数量的大尺寸晶粒产生再次破碎, 从而起到共同细化硅相尺寸的效果。所以说喷射成形之后, 其晶粒尺寸大大降低。4图 1 下载原图2. 喷射沉积态 Al-22Si 铝合金的组织特点喷射沉积过程是将熔炼后的液态金属经导流管流出, 熔滴在高速气流的作用下加速飞行, 由于飞行过程中存在着强烈的热交换, 液滴会发生快速凝固过程。此时小于临界尺寸的熔滴将凝固为固相颗粒, 较大尺寸的熔滴仍保持为液态, 在这两个尺寸之间的熔滴为含有一定比例液相的半固体颗粒。这些凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积盘的表面后将在表面上铺展、堆积、附着及表面熔合, 随后形成一个薄的半液态层, 并依次凝固结晶, 沉积生长为沉积坯, 如图 2 (a) 所示。沉积态内部存在一定数目不规则的小孔隙, 这些沉积态的空隙率约为2%-5%, 如图 2 (b) 所示。这些间隙是由于沉积体内没有足够的液相来充填空隙而导致颗粒之间没有完全结合。喷射沉积过程中形成的空隙增加了变形的复杂性。空隙内表面的氧化物和污染层会减慢内表面相互间的机械结合。空隙可以成为裂纹的起始点, 并为裂纹的扩展提供了一条方便的通道, 导致其力学性能大大下降。图 2 Al-22Si 沉积态的宏观照片和沉积态微观结构 下载原图空洞缺陷的形成机制主要有以下几个方面: (1) 高速凝固下液滴之间的空隙得不到填充, 形成空隙; (2) 雾化飞行过程中, 气体被金属液包裹; (3) 液体金属在凝固收缩时, 得不到多余的金属液体补充而形成缩松或缩孔。作为高硅铝合金材料如用在发动机缸套等耐磨材料上除了应该具有均匀分布的 Si 相和细小的第二相之外, 还应该具有致密的组织。所以 Al-22Si 合金经喷射沉积之后, 由于存在一定数量的显微孔洞, 有待进一步致密化工艺加工以使其消除内部的空洞缺陷。53. Al-22Si 致密化工艺之后的显微组织结构本文采用热挤压工艺对喷射沉积锭进行致密化, 主要目的是实现第二相的细化和空隙的“焊合”。图 3 是喷射成形 Al-22Si 热挤压之后的表面形貌。可以看出, 在热挤压之后喷射沉积过程中形成的空隙已基本实现致密化, 初晶相和 (Al, Si, Fe) 相也没有明显的粗化现象。致密化主要是因为挤压过程中较大的机械压力大幅度降低了沉积坯内部的空隙。热挤压过程中未粗化的原因有以下几个方面:首先, 快速凝固合金基体组织已经非常细小, 挤压限制了晶粒的变形程度, 不会产生明显被拉长的晶粒;其次, 合金中含有大量硬质第二相, 其尺寸与基体晶粒基本保持在同一数量级, 在热挤压过程中, 基体晶粒不仅受到沿挤压方向的拉应力作用, 而且受到来自硬质第二相的阻碍作用, 其受力是多方向性的, 因此变形也不能表现出明显的方向性;另外, 高硅铝合金在热挤压过程中受高温作用, 这导致高硅铝合金在变形时伴随有回复和动态再结晶发生, 挤压结束后在冷却过程中受到余热的作用也会发生回复和再结晶, 使挤压变形晶粒通过形核长大, 改变变形所造成的纤维状组织, 但由于高硅铝合金中大量第二相的存在, 对再结晶有阻碍作用, 因此再结晶晶粒并不能过分长大。图 3 喷射成形静热挤压之后 Al-22Si 组织 下载原图(a) 低倍的显微结构; (b) 高倍的显微结构4. 结论(1) 喷射成形工艺制备的 Al-22Si 合金与普通铸造下的该合金相比, 其组织细小均匀, 初晶硅相和共晶硅相均为细小的颗粒状。(2) 经热挤压致密化后, 喷射成形技术制备的 Al-22Si 合金实现了第二相的细化和空隙的“焊合”。参考文献1谢壮德, 沈军, 孙剑飞, 等.快速凝固 Al-Si 合金干摩擦条件下的磨损特性J.材料工程, 2002, (10) :7-10. 2李继文, 王爱琴, 谢敬佩, 等.快速凝固过共晶铝硅合金的微观组织特征及耐磨性研究J.摩擦学学报, 2010, 30 (2) :111-117. 3马鸣图, 石力开, 熊柏青, 等.喷射沉积成型铝合金在汽车发动机缸套上的应用J.汽车工艺与材料, 2001, (2) :16-19. 4袁晓光, 徐达鸣, 张淑英, 等.喷射沉积 Al-Si-FeCu-Mg 合金的微观组织和力学行为J.金属学报, 1997, 20 (3) :248-252. 5窦玉海, 刘咏, 刘延斌, 等.机械合金化结合热压制备高硅铝合金的组织及性能J.粉末冶金材料科学与工程, 2013, 18 (4) :566-571.
