快速凝固高硅鋁合金粉末形貌與組織特性研究

＊劉鵬 霍冬亮 疏敏 黃秋良

（內(nèi)蒙古旭陽新材料有限公司 內(nèi)蒙古 029200）

引言

高硅鋁合金實際上是一種傳統(tǒng)的鑄造合金，在實際應用的過程中具有良好的強度及耐磨性，無論是在過高或者過低的溫度環(huán)境下，膨脹系數(shù)均可以控制在合理的范圍之內(nèi)[1]。高硅鋁合金粉末同樣具有上述的特征，但是在鑄造時，由于初生硅相呈現(xiàn)粗大的針狀，高硅鋁合金粉末的塑性極低，較難作為支撐性的結(jié)構(gòu)施工材料。針對這一問題，當前所設(shè)計的超音速氣體霧化處理是較為常用的高硅鋁合金粉末快速凝固方法，此種工藝可以使初晶Si極度細化，在不同的環(huán)境下，消除利用鑄錠冶金法所形成的粗大初晶塊，降低使用時產(chǎn)生的消極影響，具有應用價值[2]。為此提出對快速凝固高硅鋁合金粉末形貌與組織特性的分析與驗證研究。先利用專業(yè)的設(shè)備及裝置，對高硅鋁合金粉末的形貌進行測定，隨后，在不同的環(huán)境背景、溫度下，測試分析高硅鋁合金粉末的組織特征，研究其處于的狀態(tài)，獲取最終的實驗結(jié)果，為后續(xù)相關(guān)行業(yè)與技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)[3]。

1.實驗準備

首先，為確保后續(xù)實驗測試的真實性與穩(wěn)定性，需要先進行基礎(chǔ)性的實驗測試材料準備。合金設(shè)計的成分為AlSi17Fe6Cu4.5Mg0.5，結(jié)合實際的實驗測試需求，首先利用鑄錠冶金法制備母合金錠，形成板塊之后，靜置以待后續(xù)的使用與轉(zhuǎn)換[4]。隨即，以此為基礎(chǔ)，通過超音速氣體霧化法制造出高硅鋁合金的粉末，準備氮氣，利用專業(yè)的設(shè)備及裝置對粉末在高溫、低溫及常溫三種環(huán)境下進行初始的測定，得出粉末內(nèi)部的成分，如表1所示。

根據(jù)表1完成對高硅鋁合金粉末成分的測定與分析。隨后，以此為基礎(chǔ)，控制測定氣體的壓力在2.5～3.5MPa之間為最佳，霧化處理的溫度一般需要保持在850～900℃左右即可。接下來，將經(jīng)過處理之后的高硅鋁合金粉末使用玻璃管真空密封保存，以待后續(xù)使用。但是這部分需要注意的是，在保存的過程中，需要使用電阻爐定期對真空玻璃管內(nèi)的高硅鋁合金粉末進行時效處理，設(shè)定的溫度恒定為120～150℃之間，單向處理時間為1～1.5h[5]。至此，完成對此次實驗之前的基礎(chǔ)性準備工作，接下來，綜合設(shè)置的初始實驗要求及標準，進行具體的測定與分析。

2.實驗方法與過程

本次結(jié)合實際的測定需求及標準，搭配超音速氣體霧化法，先對快速凝固高硅鋁合金粉末的形貌進行分析和驗證研究。利用專業(yè)的掃描裝置（掃描電鏡—SEM）及測定儀器先給高硅鋁合金進行掃描處理，獲取照片之后，結(jié)合氣體霧化處理方法，對Al-Si合金粉末典型的形狀及形貌特征進行研究[6]。具體如圖1所示。

圖1 高硅鋁合金粉末形貌分析圖示

根據(jù)圖1完成對高硅鋁合金粉末形貌的分析與驗證研究。經(jīng)過上述驗證，可以了解到：所分析的粉末自身的狀態(tài)隨著周圍環(huán)境的變化發(fā)生對應的改變，可以劃分為液滴狀顆粒狀、球狀以及類球形等外部特征，不同的形態(tài)下，其形貌的規(guī)模及覆蓋能力也存在一定的差異。但需要注意的是，顆粒如果處于堅硬的晶狀體，受外部環(huán)境及特定因素的影響將會有多種變化[7]。此外，隨著高硅鋁合金顆粒大小的變化，再加上外部狀態(tài)的變化，高鋁粉末的外形以及內(nèi)置結(jié)構(gòu)也會形成一定的改變，這在一定程度上也會影響后續(xù)的實驗測定。與此同時，液滴狀顆粒狀、球狀以及類球形三種形態(tài)的粉末在進行霧化之后，自身的球化轉(zhuǎn)換時間以及處理范圍也會出現(xiàn)差異，所以，以此為基礎(chǔ)，通過超音速氣體霧化法，測定出霧化熔滴球化時間，具體如公式（1）所示。

式中：A表示霧化熔滴球化時間，ms；k表示球化后熔滴直徑，μm；χ表示最小直徑，μm；? 表示鋁合金粉末的液態(tài)金屬黏度，Pa·s；γ表示液態(tài)金屬的定向張力，N。根據(jù)上述測定，完成對霧化熔滴球化時間的計算。依據(jù)測定出球化時間，測定分析出此時鋁合金粉末自身的球化密度，具體如圖2所示。

圖2 高硅鋁合金粉末球化密度呈現(xiàn)圖示

根據(jù)圖2完成對高硅鋁合金粉末球化密度呈現(xiàn)結(jié)果的分析。這部分主要是劃分為三個階段進行球化處理的，同時控制熔滴及凝固的時間，利用專業(yè)的設(shè)備對高硅鋁合金粉末的外貌變化進行捕捉。完成對高硅鋁合粉末形貌的分析和研究之后，接下來，以此為基礎(chǔ)，驗證研究在不同的狀態(tài)下，其組織特征的變化狀態(tài)。首先，選定3種粒度的高硅鋁合粉末作為測試的主要目標對象，通常情況下，該粉末的組織大致是由初晶以及共晶的Si元素所組成的，但Si元素在環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，粒度會處于相對較小的狀態(tài)，一般均值＜25μm，此時，在顯微鏡下觀測的粉末分布基本處于不太均勻的情況。此時，計算出粉末的成分差，具體如公式（2）所示。

式中：G表示粉末的成分差，%；m表示相體積分數(shù)，VOL%；n表示轉(zhuǎn)換比，%；y表示力度定值，Pa；? 表示接觸角，°。根據(jù)上述測定，完成對粉末成分差的計算。在實際測定的過程中，將粉末的成分差控制在合理的范圍之內(nèi)，以此來確保最終特征分析的合理性與可靠性。隨即，當粉末自身的粒度較大時，初晶Si元素雖然分布規(guī)律，但是形狀不規(guī)則，且尺寸距離也是較大的，長度與寬度相差也極大。綜合上述高硅鋁合金粉末自身的變化，接下來，對其結(jié)構(gòu)的演變與熱效應轉(zhuǎn)換進行研究。此時，利用X射線衍射裝置獲取對應的識別掃描圖譜，從圖中可以觀察分析到：高硅鋁合金粉末粒度小于23μm粉末的基體自身的α-Al轉(zhuǎn)換相以及Si元素的相衍射線覆蓋范圍均大于粒度105～150μm的同類型粉末，此時，測定計算出射峰強度，如公式（3）所示。

式中：M表示射峰強度，count/cps；?表示可覆蓋范圍，2θ；x表示偏移單元值，?-1；θ表示相衍距離，?；δ表示高冷卻速度，℃/s。根據(jù)上述測定，完成對射峰強度的測定與計算，根據(jù)射峰強度的變化，可以對粉末自身元素及結(jié)構(gòu)的變動進行掌握，以此來進一步了解到α-Al相衍射峰發(fā)生變化的時間以及偏移的方向。

綜合上述的研究，可以表明：結(jié)合高硅粉末自身的特征，采用氣霧化制備方法對其在不同的環(huán)境下，冷卻速度發(fā)生的變化作出相應的分析驗證。熔滴過程中高硅鋁合金的粉末原子也無法作出進一步的匹配，固相被及時截留，α-Al基體在環(huán)境及溫度等因素的變化下，逐漸形成了飽和固溶體，Si元素固溶在α-Al內(nèi)部的基體之中，此時的晶體網(wǎng)格慢慢收縮，常值參數(shù)進一步減小，在這樣的環(huán)境下，衍射峰寬會隨之粉末形態(tài)的變動發(fā)生改變，衍射峰強度的增加與減少均會對粉末的形貌特征產(chǎn)生影響。得出最終的總結(jié)：高硅鋁合金粉末的粒度越小，冷區(qū)速度越大，沉積固溶的Si元素越多，對自身內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的畸變影響越大。綜合上述的測定，接下來，還需要對該粉末的過冷度和冷卻速度進行測定與計算，研究表明：超音速氣體霧化法在使用分析的過程中，對冷卻速率的把控能力相對較差，過冷度和界面生長速率的變動也受到極大的影響，從而發(fā)生較高的形核率。采用測量共晶間距的方式首先計算出粉末的過冷度，具體如公式（4）所示。

式中：P表示粉末的過冷度，℃；τ表示冷卻范圍，℃；?表示此時粉末粒度，μm；e表示可控時間，ms；α表示共振頻率，Hz。根據(jù)上述測定，完成對粉末過冷度的計算。隨即，綜合此特征，利用SEM像的處理形式，結(jié)合測量共晶間距法，分析間距的變化與高估鋁合金粉末粒度之間存在的變化關(guān)系，并計算出最終的冷卻速度，具體如公式（5）所示。

式中：H表示冷卻速度，℃/s；?表示總凝固耗時，ms；? 表示轉(zhuǎn)換粒度時間，ms；ι表示冷卻單元值，℃/s；λ表示冷卻處理速度，℃/s。根據(jù)上述測定，獲取最終的測試數(shù)據(jù)及信息，接下來，進行測試結(jié)果的分析。

3.實驗結(jié)果分析及討論

結(jié)合上述的測定與實驗，接下來，結(jié)合得出的數(shù)據(jù)以及信息，對最終的測試結(jié)果比照研究，具體如表2所示。

表2 測試結(jié)果比照分析表

根據(jù)表2，完成對測試結(jié)果的分析與研究：針對粒度25μm和45μm的高硅鋁合金粉末的測定，采用四個階段進行測試，最終得出以下結(jié)果，該粉末自身的過冷度隨粒度減小而明顯增大，隨粒度的增大而減小，這是導致不同粒度粉末組織和結(jié)構(gòu)差異的主要原因。得出最終的結(jié)論，不同粒度狀態(tài)下，高硅鋁合金粉末與過冷度呈現(xiàn)反向的組織特征變動關(guān)系。

4.結(jié)束語

綜上所述，便是對快速凝固高硅鋁合金粉末形貌與組織特性的驗證和分析研究。在不同的背景環(huán)境下，先采集整合高硅鋁合金粉末的外貌，觀察其變化的情況。隨即，以此為基礎(chǔ)，搭配超音速氣體霧化處理方法，識別快速凝固高硅鋁合金粉末的組織特征，確保最終實驗測試結(jié)果的真實性與可靠性，為后續(xù)的實驗測定營造穩(wěn)定、真實的分析環(huán)境。