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Al-Mn-Ti准晶中间合金的制备及在Al-25%Si中的应用

杨永军  
【摘要】: 长期以来,共晶成分的Al-Si合金由于具有较低的热膨胀系数、较高的耐磨性能和优良的熔铸及加工性能,常成为中小型内燃机活塞的首选材料。但随着内燃机向高速度、高功率的发展,传统的共晶成分Al-Si合金活塞已经满足不了其发展的需要。于是出现了过共晶(含Si=16~26wt.%)Al-Si合金活塞,但是在过共晶Al-Si合金中,随着硅含量提高,初晶硅变得十分粗大,严重影响合金的综合力学性能以及切削加工性。 而准晶自被发现以来,一直是材料科学界所研究的热点。准晶具有高硬度、耐热性和低表面能等独特性能,使其特别适合作为韧性基体材料中的强化相。准晶增强铝基复合材料是一个研究热点,也是准晶在应用上的重要推广,进行这方面的研究在扩大准晶的应用范畴方面具有重要意义。本文正是基于准晶增强铝基复合材料的设想,设计一种新型铝基准晶中间合金,并将其加入Al-25%Si铝硅合金中,改善过共晶铝硅合金的组织。 实验采用真空感应炉熔炼、水冷铜模冷却凝固的方法,通过向Al-Mn二元准晶合金中添加Ti元素,制备出了Al-Mn-Ti系三元准晶中间合金。利用金相显微镜,X射线衍射仪,扫描电镜和能谱等分析手段,研究了Al-Mn-Ti准晶中间合金的显微组织和相组成的变化,发现了一种新的花瓣状Al67Mn13Ti20三元准晶,并对其形成过程进行了初步研究。同时,将Al-Mn-Ti准晶中间合金添加到Al-25%Si过共晶铝硅合金中,观察了Al-Mn-Ti准晶中间合金对初晶硅形貌的影响。 本文的主要研究结果如下: (1)在Al(86-X)Mn14TiX系列中间合金中,没有准晶相的形成,也未发现三元相物质的存在。由于实验中合金的冷却速率同急冷凝固有较大差距,未加入Ti时,合金的铸态组织由α-Al相和Al6Mn相组成;加入Ti元素后,合金的组织由α-Al相、Al6Mn相和Al3Ti相组成,且随着Ti含量的增加,α-Al相逐渐减少,Al3Ti相逐渐增多。 (2)在Al(77.5-X)Mn22.5TiX系列准晶中间合金中,未加入Ti时就有十边形准晶T相的存在,但不能得到全部的准晶,组织中存在部分准晶的近似晶体相(Al4Mn相)。Ti元素的加入,能细化准晶十边形T相晶粒,并能抑制铸态组织中近似晶体相(Al4Mn相)的形成。当Ti元素的加入量大于3.5at.%时,在合金中观察到有花瓣状组织出现,经过X-ray衍射和EDS分析,确定其为准晶相,成分为Al67Mn13Ti20。且随着Ti含量的提高,花瓣状准晶相的数量增加。 (3)对Al67Mn13Ti20准晶相的形成过程进行分析,结果表明:在凝固时液相中首先形成Mn2Ti相,随后发生包晶反应L + Mn2 Ti→Al67Mn13Ti20 ,最终导致了三元Al67Mn13Ti20准晶的形成。三元准晶相形成后使得剩余液相中的Mn含量增加,促进了准晶T相的形成。 (4) Al67Mn13Ti20准晶的形成过程,遵循形核和长大规律。准晶相的生长界面为粗糙界面,是以连续生长机制进行生长的。由于实验采用水冷铜模冷却,合金的冷却速率远大于平衡凝固时,同时溶质原子在生长界面前沿形成的成分过冷使的生长界面不稳定性增加,导致准晶相以六瓣状生长,花瓣端部呈现出圆滑状。 (5)加入Al73.5Mn22.5Ti4准晶中间合金后,Al-25%Si合金的显微组织形貌发生了明显的变化。合金中初晶硅由粗大的五瓣星状变为小的颗粒状,当准晶中间合金的添加量为4wt.%时,初晶硅平均尺寸从300μm减小到30μm,细化效果明显。同时,随着准晶中间合金添加量的增加,Al-25%Si合金的布氏硬度有一定程度的提高。


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