鑄態(tài)亞共晶AlSi合金中初生Si的生長機制

1、鑄態(tài)亞共晶Al-Si合金中初生Si的生長機制摘要：采用光學顯微鏡和背散色衍射儀對亞共晶鋁硅合金進行觀察。結果顯示初生硅顆粒出現(xiàn)在亞共晶合金中。因此，也研究了熔融的亞共晶鋁硅合金中先析出的初生硅的形核和生長機制。觀察發(fā)現(xiàn)Si原子很容易分離形成Si-Si簇，它源于初生硅的形成，在共晶和過共晶Al-Si合金中同樣存在。此外，由化學勢和溶質的原子堆積或顯微偏析在初生Si的形成中，起到重要的作用，溶質再分配的方程式源于Jakson-Chalmers等式。一旦Si的溶質濃度超過共晶成分，初晶硅就在液固界面形成了。1. 介紹鋁硅合金由于其低的熱膨脹系數(shù)、高的耐磨性和較好的鑄造性能，廣泛的應用于航天和汽車的結

2、構中。根據鋁硅合金中硅的成分，可分為亞共晶、共晶、過共晶合金。每一類相應的硅成分為少于百分之十，11%13，和大于14%。根據Al-Si合金的二元相圖，共晶反應發(fā)生在共晶溫度。兩種固相（共晶Si和-Al）在Si含量為12.6%的共晶成分點，發(fā)生L SiE+(Al) ，同時從液相析出。過共晶Al-Si合金首先析出初生硅，然后再發(fā)生共晶反應。過共晶反應通常伴隨相的轉變L L+Sip （SiE+(Al)）+Sip 。其中Sip是初生硅。根據Al-Si合金的二元相圖，初生硅顆粒只從過共晶Al-Si合金中析出。很多的初生硅顆粒，然而是在過共晶合金中觀察到。其一系列的相反應源于亞共晶鋁硅合金L L+Sip

3、 L+（SiE+(Al)）（SiE+(Al)）+(Al) +Sip 。初生硅平面面特征邊緣鋒利、較厚。初生硅尺寸不同，形貌趨向于晶面111。盡管許多的文獻采用晶體生長理論來分析和預測初生硅，但是很少獲得亞共晶Al-Si合金的形核和生長特征。現(xiàn)在的研究討論了初生硅在亞共晶合金中產生的原因。同時也提出了初生硅的形核和生長機制。2. 實驗快速凝固的實驗如下：首先，鋁硅合金錠放在感應爐中熔化；爐的溫度設置在715，保持這個溫度2分鐘，使合金均勻熔化。然后，將熔融金屬冷卻到澆注溫度，接著快速冷卻到室溫。通壓縮氣流或噴射霧化水來達到高的冷卻速度。凝固溫度和冷卻時間如圖1所示。20、40、60、80mm的四

4、種樣品，分別在3.8、6.6、9.8、16.1/s的冷速下的曲線。用于實驗的合金成分是Al-10%Si。為了消除雜質的影響，熔融合金需要精煉。為了顯微觀察樣品需要鑲樣拋光。光學顯微結構的觀察要在機械拋光后進行。初生硅的顯微結構特征用背散射電子顯微鏡（EBSD）觀察。EBSD樣品要進行機械和電子拋光。電解拋光在乙醇和高氯酸以6:1混合的溶液中、電壓20V，處理20s。EBSD的數(shù)據用JEOL JSM-7001F獲得。FE-SEM在20KV的真空下，樣品傾斜70。為了觀察初生硅的二維組織，樣品用40%的HCLO4的稀釋溶液處理。二維顯微組織使用裝備有能譜儀的SEM觀察。為了三維的觀察，樣品要在同樣

5、的溶液中深度處理。3. 結論由圖2所示很多的初生硅顆粒出現(xiàn)在亞共晶鋁硅合金中。圖2顯示隨冷速的增加，初生硅的尺寸和數(shù)量都有所減少。當平均冷速有3.8增加到16.1時，初生硅的等軸晶尺寸由大約88.9減到17.1m。此外，初生硅的分布是不均勻的，不管冷速高低。由SEM觀察的亞共晶Al-10%Si的顯微組織如圖3所示。所有的（Al），Sip和SiE都在圖3中。特別的是EDS能譜圖確定了SiE 和Sip 都存在于亞共晶鋁硅合金中圖3（b）。三維顯微組織圖在圖3（c）和(d)中。初生硅被(Al）樹枝晶和共晶相包圍。用超聲波清洗泡在乙醇的合金，能使初生硅和共生硅分離。由于(Al）的溶解，初生硅部分或全部

6、從鋁基體結晶出，并且沒有表面和邊緣的損壞，圖3(c)和(d)顯示了完整的和不完整的組織。在過共晶合金中，初生硅的生長機制是螺型位錯生和雙平面凹陷生長。亞共晶合金中初生硅的生長機制與過共晶中的相似。可以在表面和切面看到清晰的凹槽，它們看起來石階型的生長，趨向于凹槽和邊緣。在晶體表面穩(wěn)定的凹槽可以促進初生硅在特殊方向快速生長。初生硅顆粒在圖4中顯示基于TPRE生長機制的分瓣狀生長特征。初生硅包括5中不同顏色表示的連續(xù)雙晶。這種連接在一起的晶面有雙胞胎似的聯(lián)系，60111。同樣發(fā)現(xiàn)兩平行晶面產生了永存的凹槽，形核發(fā)生在那里。硅四面體沿著晶面111，晶向112生長。4.討論初生硅在亞共晶鋁硅合金中發(fā)現(xiàn)。對亞共晶鋁硅合金中初生硅的形核和生長的調查提供了一些原因。根據Al-Si合金的凝固特征，硅原子很容易從硅原子簇中脫離，有很大的趨勢在液固界面前端形核生長。一些研究者猜測在鋁硅合金中存在硅簇和硅四面體，這種液態(tài)結構有助于初生硅的形成和生長。5.總結1）根據亞共晶鋁硅合金顯微觀察，初生硅顆粒經常出現(xiàn)在合金中。隨著冷卻速度的增加，在亞共晶鋁硅合金中等軸晶的大小和數(shù)量都有減少；此外，初生硅結構為八面體。2）亞共晶鋁硅合金中初生硅的生長機制看著是雙平面凹陷生長機