AlFeNiTi/Cr中间合金变质Al-20Si合金微观组织演变及其机制研究

作     者：张宇 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：兰晔峰;胡克潮

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Al-Si合金 变质 中间合金 α-Al枝晶 初生Si 共晶Si 超声处理 力学性能 

摘      要：因为Al-Si合金的一系列优势,铝硅合金已被广泛地使用在各个领域,比如宇航应用,还有汽车工业应用,安全防护等领域。在汽车领域由于Al-Si合金具有较低的密度和很高的强度,可以很好的减少车重,从而减少汽车燃油的消耗,进而节约能源。但传统的压铸的Al-Si合金所形成的组织并不好,通常有粗大的α-Al枝晶,还有形状很尖锐的Si相结构,而且因为Si相组织形状都是尖的,所以很容易在尖端位置聚集,其相貌性质直接关系着合金的热动力学特性,也因此传统压铸Al-Si合金的初始组织质量很差,导致动态特性也很差。所以,本文以Al-20Si合金作为研究对象,想要通过研究AlFeNiTi和AlFeNiCr作为变质剂对铸造Al-Si合金组织进行细化,并通过改变铸造铝硅合金原始的α-Al、初生Si以及共晶Si的形貌和大小,以此来提高铸造合金的力学性能。为了对比研究以AlFeNiTi形式作为变质剂效果,本文讨论了还以Al-Fe,Al-Ni和Al-Ti形式复合加入到合金中作为变质剂。同时探讨了超声波处理,对未经过变质的Al-20Si合金以及分别通过AlFeNiTi和AlFeNiCr变质后Al-20Si合金,其微观组织变化的影响。同时分析研究了,经过处理后的Al-20Si合金,其微观形貌变化对拉伸性能的影响。本文的研究可以为Al-20Si合金在实际生产应用中提供有效的科学依据和理论上的指导。未经过处理的原始铸造Al-20Si合中,初生Si的平均尺约为98μm,初生Si的长宽比较大。当以Al-Fe,Al-Ni和Al-Ti中间合金复合加入变质Al-20Si合金时,合金中初生Si形貌随着变质剂的加入出现了比较显著的改变,当变质剂添加量逐渐增多,分别添加Al-20Si合金含量的0.5%和1.0%时,初生Si中形貌为五瓣星状的Si相逐渐消失,而不规则的块状初生Si,也由原来大块状变成了规则的小块状,尖锐转变为边缘钝化。初生Si的平均大小也发生了变化,主要集中在了50～80μm之间,初生Si的长宽比变化也较为明显,变得越来越小。当变质剂的添加量增加到1.5%时,此时变质细化效果最佳,合金中的所有初生Si,全部都被细化成为了均匀而细小的块状,而且均匀分布于整个基体上,初生Si的尺寸也由最初的70μm左右减小到了20～30μm之间。然而,当变质剂的添加量继续增加,增加到2.0%和2.5%时,Al-20Si合金中的初生Si出了粗化现象,晶粒大小也主要分布在了30～40μm之间,初生Si的形貌也开始变成不规则块状。随着变质剂的添加,Al-20Si合金中,共晶Si的形貌和大小也都得到了很好的改善。在未变质的铸造Al-20Si合金中,共晶Si一般都是以粗大的细片状和长尖锐针状形式呈现。当添加0.5%和1.0%的变质剂时,Al-20Si合金中,共晶Si的外观形状仍然呈细片状,而长针状形貌的共晶Si形貌有所改善,数量也明显的下降。随着变质剂含量的继续增高,增加到了1.5%,细化效果最佳,此时Al-20Si合金中的共晶Si形貌,由最初的粗大的片状和针状全部转变为细小的粒状和短杆状,并且明显的发现片层的间距减小。当变质剂添加量达到2.0%时,合金中共晶Si逐渐开始有粗化的趋势。为了得到更好的细化效果,本实验尝试研究以AlFeNiTi中间合金形式作为变质剂加入Al-20Si合金中。加入不同量的AlFeNiTi(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)时,经过变质处理的共晶Al-20Si合金中的初生Si形貌也有了显著的改变,当加入0.5%AlFeNiTi变质的Al-20Si合金时,初生Si的形状虽然没有出现很大的变化,但平均厚度却有下降,减小到了86μm。当AlFeNiTi的添加量提升到1.5%时,此时Al-20Si合金中粗大且不规则形状的初生Si消失,此时Si相的平均尺寸减小到了59μm。经过2.0%AlFeNiTi变质处理的Al-20Si合金,初生Si相的外观形状已经变成了细微而规整的小块体,在共晶基体上均匀的散布,并且此时的平均尺寸减小到了40μm。然而,当Al-20Si合金经过2.5%AlFeNiTi变质处理后,,原来就已得到细化的初生Si相,形状也开始发生了变化,此时初生Si平均尺寸也由40μm增加到了45μm。但是,此时的初生Si的平均尺寸,仍然还是小于经过3.0%AlFeNiTi变质的Al-20Si合金中初生Si的平均尺寸。因此加入2.0%AlFeNiTi作为变质剂时,细化组织的效果最好。此时初生Si的平均尺寸,从最初的91μm减小到了40μm,长宽比从2.03降低到1.27,分别减小了56.1%和37.4%。同时Al-20Si合金中共晶Si形貌也出现了很大的变化,从长针形变化为了更细小的海底珊瑚形和粒状,时共晶Si的棱角也从锋利变成了光滑圆整。由于合金的微观组织发生了变化,合金的力学性能也随之改变,当添加2.0%AlFeNiTi作为变质剂时,Al-20Si合金的抗拉强度由原始的129MPa增加到182MPa,增加了41.1%,延伸率由0.8%提高到1.43%,提高了78.7%。力学性能有了明显的提升。AlFeNiCr对Al-20Si合金中的初生Si也有着显著的细化效果,且当2.0%AlFeNiCr作为变质剂加入到Al-20Si合金熔体中时,细化组织的效果最佳。此时初生Si的平均尺寸减小到30μm,长宽比减小到1.39。AlFeNiCr也能够有效地变质Al-20Si合金中的共晶组织,当2.0%AlFeNiCr作为变质剂加入到Al-20Si合金熔体中时,将原组织中粗大的α-Al枝晶,也就逐步细分为了更匀称的等轴晶,而原来粗大共晶Si,则从板片形和多针状转化成了具有多分枝的且细小纤维状结构的形貌。随着AlFeNiCr的加入改变了Al-20Si的合金微观组织,因此合金的力学性能也得到了显著的提升,当加入2.0%AlFeNiCr变质Al-20Si合金时,力学性能最佳,而此时制备得到的合金,其抗拉强度升高到了147MPa,延伸率增加了1.44%。本文还研究了将超声导入到Al-20Si合金以及经过2.0%AlFeNiTi和2.0%AlFeNiCr变质的Al-20Si合金熔体中,以此来讨论超声处理对Al-20Si合金微观组织的影响。通过实验得出,超声80S,超声温度设置为660℃,可以很好的细化Al-20Si合金的微观组织。因此采用最佳超声时间以及温度,分别以300W,600W以及900W将超声导入到2.0%AlFeNiTi和2.0%AlFeNiCr变质的Al-20Si合金熔体试样。试验结果表明,当功率为600W进行超声处理时,此时两组合金组织被细化的效果最佳。