水平连续铸造Al-Si合金组织及其控制研究

论文摘要

Al-Si系合金是铸造铝合金中品种最多,用量最大的合金,广泛应用于航空、汽车、仪表及机械等工业领域。但水平连续铸造Al-Si合金铸锭存在Si相粗大、组织不均匀和缩孔等缺陷,严重损害了材料的力学性能。本文从金属组织遗传性原理出发,使用同种成分的细晶组织材料（Fine-grained Structural Materials,简称FSM）作为中间合金来优化水平连铸Al-Si合金组织,得到了组织均匀、细化、无缩孔缺陷,力学性能良好的合金铸锭。研究讨论了FSM中间合金含量和工艺参数对合金组织和力学性能的影响,并利用电子背散射衍射（EBSD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨电镜（HRTEM）、差式扫描热分析（DSC）等手段探讨了FSM中间合金对共晶Si相的变质机理。通过对Al-12%Si和Al-18%Si合金进行DSC分析确定了水平连铸Al-12%Si和Al-18%Si合金FSM中间合金的加入温度分别为720℃和740℃,并确定了制备FSM Al-12%Si和Al-18%Si中间合金的工艺参数,即将Al-12%Si和Al-18%Si合金熔体分别过热到900℃和950℃后水冷铜模铸造加二次水冷,得到了初晶Si细化、共晶Si高度分枝的凝固组织。加入同种成分FSM中间合金制备的水平连铸Al-12%Si和Al-18%Si合金铸锭铸锭横截面上缩孔面积减少,显微组织细化,组织均匀性得到改善,力学性能也有所提高。其中初晶a-A1二次枝晶臂间距减小,共晶Si由粗大的针片状转变为高度分枝的纤维状,初晶Si尺寸减小。DSC分析可知中间合金的加入可以明显改善合金凝固过程对冷却速度的敏感性,铸锭合金表面和中心凝固曲线上过冷度差异明显减小。但是,中间合金存在最佳加入量,在结晶器一次冷却条件下,Al-12%Si和Al-18%Si的最佳加入量为30%,二次水冷却条件下Al-18%Si最佳加入量为15%。对共晶Si变质前后的生长机理进行了分析,结果表明未变质共晶Si深腐蚀后表面和侧面都呈明显的板片状特征,生长端面以凸角特征为主,可以观察到少量的凹角端面。并且生长端面能够观察到比较规则的生长台阶。大量TEM观察并未发现Si晶体内部有典型的孪晶缺陷,因此未变质共晶Si中孪晶凹角生长机制（TPRE）并不是共晶Si生长的主要机制,而是台阶生长机制导致Si的板片状形貌。Si中的位错分解产生两个不完位错,并且位错中间夹着一定宽度的层错便可以成为Si生长有效的台阶源。EBSD分析较大范围显示了Al、Si两相的共晶结构。FSM中间合金变质后,共晶Si形貌由针片状转变为纤维状,相邻两相间由大角度晶界转变为小角度亚晶界为主。共晶Si形核的位置由初晶a-Al枝晶转变为熔体中弥散分布的Si原子集团,共晶团中Si相与Al相显示出更为紧密的耦合生长关系,{110}Si和{100}Al的择优取向关系变得明显。FSM中间合金不仅使共晶Si形貌发生了变化,也改变了共晶Si内在晶体缺陷的性质及分布。共晶Si内部出现两套斜交的孪晶系,密度和孪晶间距存在明显差异。其中一套厚孪晶密度较大,并且一直延伸到生长末端。而另一套则为微孪晶,或堆垛层错。Si枝晶的结合处可以明显观察到堆垛层错的存在,并且与Si分枝的方向垂直。即共晶Si中高密度层错决定了Si的高密度分枝,Si分枝则以另一套厚孪晶TPRE机制继续长大。对纤维状共晶Si进行HRTEM分析发现FSM中间合金变质后的Si中不仅出现了大量的孪晶和层错,还弥散分布着许多黑色小颗粒,尺寸在10到20nm之间。对纳米颗粒进行FFT变换,发现纳米颗粒面间距约为正常Si相的3倍。从能量和晶体学角度分析,确定纳米颗粒为加入的中间合金未完全熔化形成的Si-Si原子集团。通过对共晶Si形貌和内部缺陷分析确定FSM中间合金变质共晶Si的生长机理为组织细化的Al-12%Si合金加入熔体后吸收热量熔化,由于Si-Si键能较大,因此形成大量的Si-Si原子集团弥散分布在熔体中。从金属组织遗传角度来看,这些原子集团就是Al-Si合金的遗传因子,它们保留了中间合金的细晶组织特征,使得最终得到组织细化的凝固组织。从形核和生长理论分析,这些原子集团中晶格畸变最小的,与Si晶体结构最为接近的原子集团可以成为Si形核时的最佳衬底。大量过剩的原子团簇富集在固液界面前沿,阻碍了台阶的部分运动。并且由于结构有所差异,因此Si原子面在堆垛过程中需要通过层错、孪晶等缺陷来协调与原子集团的取向差异。而层错、孪晶等缺陷的产生使得共晶Si不断调整结晶位向,从而形成三维空间上高密度分枝的珊瑚状形态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Al-Si合金的组织细化与变质处理
• 1.2.1 Al-Si合金的组织特征
• 1.2.2 Si相的变质
• 1.3 水平连续铸造
• 1.3.1 水平连铸的工艺流程及特点
• 1.3.2 铝合金水平连铸工艺
• 1.3.3 铝合金水平连铸工艺发展
• 1.4 合金熔体结构的研究及发展
• 1.4.1 合金熔体结构的研究现状
• 1.4.2 合金熔体中原子团簇的研究
• 1.4.2 合金熔体结构对组织遗传性的影响
• 1.5 Al-Si合金熔体结构研究
• 1.5.1 Al-Si合金液态结构特征
• 1.5.2 Al-Si合金熔体处理工艺
• 1.6 本课题研究目的及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 试验方案及研究方法
• 2.1 技术路线
• 2.2 合金制备工艺
• 2.2.1 试验合金
• 2.2.2 水平连铸合金铸锭制备
• 2.2.3 热处理工艺
• 2.3 分析测试方法
• 2.3.1 宏观缺陷观察
• 2.3.2 显微组织观察
• 2.3.3 电子背散射衍射（EBSD）分析
• 2.3.4 差示扫描量热分析
• 2.3.5 硬度测试
• 2.3.6 拉伸性能测试
• 第三章 Al-Si合金熔体结构及组织遗传性研究
• 3.1 引言
• 3.2 Al-12%Si和Al-18%Si合金熔体结构分析
• 3.3 细晶组织材料组织遗传性分析
• 3.4 FSM中间合金制备及其组织观察
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 水平连铸Al-12%Si合金组织优化研究
• 4.1 引言
• 4.2 水平连铸Al-12%Si合金典型组织
• 4.2.1 初晶α-Al相组织特征
• 4.2.2 Si相组织特征
• 4.2.3 凝固过程产生的缩孔
• 4.3 结晶器一次冷却FSM中间合金对组织和性能的影响
• 4.3.1 宏观缺陷观察
• 4.3.2 显微组织演变
• 4.3.3 DSC分析
• 4.3.4 组织均匀性影响
• 4.3.5 室温力学性能对比
• 4.4 二次水冷冷却FSM中间合金对组织和性能的影响
• 4.4.1 宏观缺陷观察
• 4.4.2 显微组织演变
• 4.4.3 组织均匀性影响
• 4.4.4 力学性能对比
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 水平连铸Al-18%Si合金组织优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 水平连铸Al-18%Si合金典型组织
• 5.2.1 凝固过程产生的晕圈现象
• 5.2.2 凝固过程产生的缺陷
• 5.3 结晶器一次冷却FSM中间合金对组织和性能的影响
• 5.3.1 铸锭宏观缺陷观察
• 5.3.2 显微组织演变
• 5.3.3 组织均匀性影响
• 5.3.4 室温力学性能对比
• 5.4 二次水冷冷却FSM中间合金对组织和性能的影响
• 5.4.1 宏观缺陷观察
• 5.4.2 显微组织演变
• 5.4.3 DSC分析
• 5.4.4 组织均匀性影响
• 5.4.5 室温力学性能对比
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 共晶硅的变质机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于EBSD分析Al-Si共晶团晶粒结构
• 6.2.1 未变质Al-12%Si合金EBSD分析
• 6.2.2 FSM中间合金变质后Al-12%Si合金EBSD分析
• 6.2.3 Al-12%Si共晶形核分析
• 6.3 未变质共晶Si的形貌及生长机理
• 6.3.1 共晶Si的形貌及端部特征
• 6.3.2 未变质共晶Si的生长机理分析
• 6.4 FSM中间合金变质共晶Si的形貌及生长机理分析
• 6.4.1 变质共晶Si的形貌及端部特征
• 6.4.2 变质共晶Si的晶体缺陷
• 6.4.3 变质共晶Si内部的原子集团分析
• 6.4.4 细晶材料变质后共晶Si生长机理分析
• 6.5 熔体保温温度和保温时间对合金遗传现象的影响
• 6.5.1 不同保温温度Si原子集团变化
• 6.5.2 不同保温时间Si原子集团变化
• 6.6 合金熔体遗传现象的热力学分析
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 本文的主要创新点
• 对下一步研究的建议
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表