喷射沉积高硅铝合金.ppt

* * 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 nozzle power N2 furnace stopper tundish stream droplet billet laser substance rotation unit 2.1 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备上进行。该设备的主要特点： 感应电炉熔化 环空式雾化喷嘴 倾斜沉积基板 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：φ140mm 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50mm 1）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 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α相。过共晶铝硅合金的平衡凝固组织初生硅和（ α+Si）共晶体组成，共晶硅呈针状。 ~1K/s ~0.5K/s 10K/s ~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) 50μm 3.2 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+α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1-6μm，30%Si铝合金中硅相的尺寸为4-10μm。 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%Si connect A B C D 。 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α相组成，硅相大多成颗粒状，其尺寸在0.5-2μm，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 μm (b )粒径约50 μm (c)粒径约100 μm 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、（α+Si）共晶体和枝晶状α相组成，初生硅为的块状，共晶硅为细小粒状，α相数量较多，且大都呈枝