噴射沉積連續(xù)擠壓Al-20Si合金

尹建成，王力強(qiáng)，劉麗娜，陳業(yè)高，劉英莉，2

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504)

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噴射沉積連續(xù)擠壓Al-20Si合金

尹建成1，王力強(qiáng)1，劉麗娜1，陳業(yè)高1，劉英莉1，2

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504)

采用噴射沉積連續(xù)擠壓工藝制備Al-20Si合金棒料。結(jié)果表明不同的霧化顆粒因遺傳熔體的不均勻性而出現(xiàn)成分差異，并對(duì)沉積坯內(nèi)初晶硅分布有一定的影響，但是在擠壓過程中這種分布不均現(xiàn)象會(huì)被消除。初晶硅在擠壓過程中被破碎并隨基體的流動(dòng)而擴(kuò)散；對(duì)不同擠壓比制備的合金桿料進(jìn)行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)隨著擠壓比的增加，棒料內(nèi)初晶硅更加細(xì)小彌散，尺寸均勻。合金室溫抗拉強(qiáng)度也隨著擠壓比的增加而增加，擠壓比為17時(shí)Al-20Si合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到195.6MPa。

噴射沉積連續(xù)擠壓； Al-20Si合金； 初晶硅

1 前 言

過共晶鋁硅合金具有重量輕、硬度高、膨脹系數(shù)低和抗磨損性能良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天、電子封裝等領(lǐng)域。通過增加合金中硅的含量可以大幅度提高過共晶鋁硅合金的耐磨性能。但是隨著硅含量的增加，傳統(tǒng)鑄造工藝獲得的鋁硅合金中硅相成顆粒狀或?qū)悠瑺罘植嫉那闆r更加明顯，這會(huì)嚴(yán)重影響高硅鋁合金的機(jī)械性能[1-4]。

噴射沉積連續(xù)擠壓工藝是將噴射沉積與連續(xù)擠壓結(jié)合在一起的新型成形技術(shù)，具有快速凝固、避免氧化、流程短、近終形等優(yōu)點(diǎn)。噴射過程中熔體的霧化、快速凝固、撞擊以及擠壓過程中的剪切作用都會(huì)使得硅相顆粒細(xì)化、均勻分布，最終組織無(wú)宏觀偏析[5-9]。噴射沉積在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，在流型控制器的約束下直接沉積在擠壓輪槽中，形成沉積坯。沉積坯以擠壓輪槽為基體隨擠壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入擠壓模腔直接擠壓成制品。本文旨在探究噴射沉積連續(xù)擠壓過程中初晶硅的分布情況，探討不同擠壓比對(duì)初晶硅細(xì)化、分布以及合金最終力學(xué)性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

以LJ350型連續(xù)擠壓機(jī)為基礎(chǔ)自制的噴射沉積連續(xù)擠壓裝置如圖1所示。該裝置主要由熔煉裝置、擠壓輪、流型控制器、擠壓靴以及成形模具組成。合金在熔煉裝置加熱至一定溫度熔化并保溫一段時(shí)間后經(jīng)導(dǎo)流管流出，合金熔液在霧化器噴嘴噴出的高速氮?dú)饬髯饔孟缕扑闉殪F化顆粒，在雙旋轉(zhuǎn)盤流型控制器的約束下霧化液滴以擠壓輪槽為基體形成沉積坯，并隨擠壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)在堵頭的作用下轉(zhuǎn)向進(jìn)入模腔，擠壓出制品。

圖1 噴射沉積連續(xù)擠壓裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Spray Conform

MeltingtemperatureSpeedofwheelExtrusionratioDietemperatureAtomizationpressure900℃10r/min7、10、13、17400℃0.25MPa

試驗(yàn)用鋁硅合金成分為Al-20%Si(wt.%)，采用箱式電阻爐加熱，熔化除渣后保溫30min，噴嘴為環(huán)孔型非限制性噴嘴，導(dǎo)流管尺寸3×7mm2。采用工業(yè)氮?dú)膺M(jìn)行霧化，霧化氣壓為0.25MPa。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。金相試樣經(jīng)砂紙打磨至1200目后使用0.5μm Al2O3研磨膏拋光。初晶硅顆粒信息采用Image Pro Plus軟件提取。

3 結(jié)果與討論

霧化過程中熔體在高速氣流的破碎作用下形成細(xì)小霧化顆粒。圖2(a)(b)是霧化顆粒的微觀組織圖，圖中可見不同的霧化顆粒內(nèi)初晶硅含量差異較大。兩圖中初晶硅分別占霧化顆粒面積的0.24%和3.5%，相差14倍，霧化顆粒內(nèi)這種成分差異在其他文獻(xiàn)中未見記載。經(jīng)分析，這種差異源自熔體的成分起伏。Si的熔點(diǎn)達(dá)到1414℃，一般熔煉溫度下熔體中存在未熔解的Si質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)溫度降低時(shí)未熔Si質(zhì)點(diǎn)更容易充當(dāng)形核質(zhì)點(diǎn)[10]。也有研究表明鋁硅合金熔體中存在Si原子集團(tuán)的富集區(qū)，V.A.Izmailovzai研究發(fā)現(xiàn)這種Si原子富集區(qū)域密度與熔融態(tài)Si相似，直到1100℃以上才會(huì)消失[11]。張林等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔體溫度達(dá)到940℃時(shí)，由于原子動(dòng)能較大不易形成原子團(tuán)，當(dāng)合金溫度降低時(shí)鍵合能力較強(qiáng)的Si-Si鍵率先結(jié)合[12]。本實(shí)驗(yàn)熔煉溫度為900℃，因此熔體中存在硅質(zhì)點(diǎn)和硅原子富集集團(tuán)，溫度降低時(shí)初晶硅更容易在硅質(zhì)點(diǎn)或者硅原子富集集團(tuán)附近形核長(zhǎng)大，因此噴射過程中可以形成初晶硅含量差異巨大的霧化顆粒。需要指出的是此種現(xiàn)象在直徑較大的霧化顆粒中比較明顯，直徑較小的霧化顆粒內(nèi)并未觀察到明顯的差別。

圖2 霧化顆粒與沉積坯顯微組織圖Fig.2 Microstructures and distribution of primary silicon in droplets and spray preform (a) (b) droplets; (c) spray preform

霧化顆粒中固態(tài)與半固態(tài)占比較大，噴射過程中快速冷卻也限制了Si、Al原子的長(zhǎng)距離遷移。當(dāng)霧化顆粒以擠壓輪槽為基體形成“U”形橫截面沉積坯時(shí)，顆粒內(nèi)成分偏析被保留至沉積坯。如圖2(c)所示，沉積坯內(nèi)存在塊狀初晶硅聚集區(qū)域和板條狀初晶硅。雖然沉積坯內(nèi)出現(xiàn)初晶硅聚集區(qū)域，但是宏觀上初晶硅分布均勻。

沉積坯料隨擠壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，遇到堵頭后沉積坯運(yùn)行受阻發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎進(jìn)入成形模具中擠壓成棒料。擠壓過程中的變形以鋁基體為主，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至脆硬的初晶硅表面時(shí)受阻塞積。隨著擠壓的進(jìn)行，當(dāng)位錯(cuò)塞積達(dá)到一定數(shù)目時(shí)形成的應(yīng)力集中大于硅原子結(jié)合力就會(huì)形成裂紋。裂紋擴(kuò)展形成穿晶斷裂，斷裂后形成的小尺寸初晶硅顆粒剝離，并以共晶組織為載體隨基體的流動(dòng)而遷移。碎化后的初晶硅顆粒在強(qiáng)大的應(yīng)力作用下繼續(xù)碎化，轉(zhuǎn)變?yōu)楦蛹?xì)小的初晶硅顆粒。初晶硅顆粒在擠壓過程中碎化以及隨基體進(jìn)行遷移的過程是同時(shí)進(jìn)行的，最終初晶硅顆粒在擠壓過程中得到細(xì)化并彌散分布。圖3為擠壓模具內(nèi)Al-20Si合金微觀組織圖，可以觀察到碎化的初晶硅顆粒隨金

屬基體的流動(dòng)而擴(kuò)散(圓圈內(nèi))。圖4為不同擠壓比下合金棒料橫截面的微觀組織圖。當(dāng)擠壓比較小時(shí)，由于應(yīng)力不足以及基體流動(dòng)不夠劇烈，初晶硅顆粒僅產(chǎn)生裂紋卻不能被碎化，如圖4(a)箭頭所示。對(duì)比圖4(a)(b)(c)(d)發(fā)現(xiàn)隨著擠壓比的增加初晶硅顆粒細(xì)化效果更加明顯，隨基體組織流動(dòng)愈發(fā)劇烈，遷移范圍也更加大。這表明沉積坯內(nèi)初晶硅富集區(qū)在擠壓過程中可以被消除，并不會(huì)影響到Al-20Si合金棒料中初晶硅的分布。初晶硅碎化不僅形成更加細(xì)小彌散的初晶硅顆粒，還會(huì)為空穴的形成提供條件。形成的空穴在基體流動(dòng)的作用下進(jìn)一步加大，基體中新形成的自由表面如果不能向空穴流動(dòng)就會(huì)留下“空洞”，對(duì)合金的性能有一定的影響[13]，如圖4(c)箭頭所示。

圖3 擠壓模具內(nèi)Al-20Si合金的微觀組織圖Fig.3 Microstructures of Al-20Si alloy in die

圖4 Al-20Si合金不同擠壓比下的微觀組織圖 (a)7;(b)10;(c)13;(d)17Fig.4 Microstructures of Al-20Si alloy with different extrusion ratio (a)7;(b)10;(c)13;(d)17

圖5 擠壓比對(duì)初晶硅顆粒以及棒材拉伸性能的影響Fig.5 Effect of extrusion ration on average diameter, variance and tensile strength

當(dāng)擠壓比達(dá)到17后碎化的細(xì)小初晶硅顆粒與共晶組織中的Si混合連一起，難以分辨。通常初晶Si尺寸較大，而共晶Si尺寸較小，此處僅將直徑超過1μm的硅顆粒認(rèn)定為初晶Si。選取直徑大于1μm的硅顆粒為樣本，計(jì)算初晶硅顆粒平均直徑以及樣本方差，并進(jìn)行棒料拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。初晶硅顆粒平均直徑隨擠壓比的增加而減小，當(dāng)擠壓比達(dá)到17時(shí)初晶硅顆粒平均直徑為1.58μm；同時(shí)，分析發(fā)現(xiàn)樣本方差隨著擠壓比的增加也在減小，這表明初晶硅顆粒直徑數(shù)據(jù)的離散程度隨擠壓比增加而減弱，直徑尺寸更趨均勻一致。拉伸試驗(yàn)表明棒料的抗拉強(qiáng)度隨擠壓比的增加而增加，當(dāng)擠壓比為17時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到195.6MPa。這是由于擠壓比的增大使得合金棒料更加致密，同時(shí)初晶硅顆粒細(xì)化與球化明顯，比表面積的增加使得初晶硅顆粒與基體結(jié)合面積增大。

4 結(jié) 論

1.Al-20Si合金熔體內(nèi)存在成分不均勻性。較大尺寸的霧化顆粒會(huì)因遺傳熔體的成分不均性而形成不同硅含量的霧化顆粒，并影響到沉積坯內(nèi)初晶硅的分布。但是隨后的擠壓碎化以及基體流動(dòng)擴(kuò)散消除了這類成分不均的現(xiàn)象。

2.隨著擠壓比的增加，Al-20Si合金內(nèi)初晶硅細(xì)小、彌散、尺寸趨均勻統(tǒng)一，合金的室溫抗拉強(qiáng)度也隨著擠壓比的增加而增加。當(dāng)擠壓比為17時(shí)初晶硅平均直徑、樣本方差與合金室溫抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到

1.58μm、0.205和195.6MPa。

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Al-20Si Alloy Prepared by Spray

YIN Jiancheng1， WANG Liqiang1， LIU Lina1， CHEN Yegao1， LIU Yingli1,2

(1.Faculty of Materials science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2.Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

Al-20Si alloy rods were fabricated by Spray Conform. The results show that the component of atomized particles is different due to the inhomogeneity of the melt, which could influence the distribution of primary silicon in the spray preform. However, the non-uniform phenomenon of atomized particles could be eliminated. The primary silicon is fragmented in the extrusion processing, and the fragments of primary silicon diffuse outwards with the flow of matrix. With the increase of extrusion ratio, the primary silicon became finer and more uniform and the tensile strength is increased. In addition, when the extrusion ratio is 17, the tensile strength of Al-20Si alloy reaches 195.6MPa.

Spray Conform； Al-20Si alloy； Primary silicon

1673-2812(2017)02-0228-04

2015-11-11；

2015-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50874055)

尹建成(1978-)，副教授，主要從事材料成型新工藝研究。 E-mail：yjc_2002@126.com。

TG146.2+1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.012