微量Fe、Ni和Ti复合对Al-20Si合金微观组织及其性能的影响.pdf

第49 卷第4期2023年8 月文章编号：1 6 7 3-51 96（2 0 2 3)0 4-0 0 1 1-0 6微量Fe、Ni 和Ti复合对AI-20Si合金微观组织及其性能的影响张杰1，张宇，王平波1 3，王凯龙，兰晔峰，李庆林*1兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.49No.4Aug.2023（1.兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州7 30 0 50；2.中国电子科技集团公司第五十二研究所，浙江杭州31 1 1 0 0；3.西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安7 1 0 0 7 2）摘要：Fe、Ni 和Ti元素以AIFeNiTi中间合金的形式添加，AIFeNiTi中间合金（原子比1：1：1：1)通过真空电弧熔炼炉进行熔配，研究中间合金添加量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，质量分数）对Al-20Si合金中Si相、-Al和力学性能的影响.结果表明：当Al-20Si合金中添加2.0%AIFeNiTi中间合金时，初生Si的形貌由粗大不规则块状和五瓣星状变质为细小规则的块状，其平均尺寸从未变质时的91 um减小到40 m，减小56.1%；共晶Si形貌从粗大的针片状变质为边缘钝化的细小粒状，而且-Al的二次枝晶显著减小，形貌由粗大树枝晶细化为蔷薇状组织.合金的抗拉强度由1 2 9MPa（未变质合金）增加到1 8 2 MPa(2.0%AIFeNiTi变质），增加了41.1%，延伸率由0.8%提高到1.43%，提高了7 8.7%.关键词：Al-20Si合金；AIFeNiTi中间合金；微观组织；力学性能Al-Si合金具有低的密度、高的比强度、低的热中图分类号：TG146.21The influences of trace Fe,Ni and Ti complex addition on the microstructureZHANG Jie,ZHANG Yu,WANG Ping-bol,WANG Kai-long(1.School of Materials Science and Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China;2.The 52th Research Institute of ChinaElectronic Technology Group Corporation,Hangzhou 31l1oo,China;3.State Key Laboratory of Solidification Processing,NorthwesternPolytechnical University,Xian 710072,China)Abstract:The elements Fe,Ni and Ti were added in the form of AlFeNiTi master alloy(atomic ratio 1:1:1:1),which were fused by vacuum arc melting furnace,and the influence of the addition amounts ofthe master alloy(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,mass fraction)on Si phase,-Al and mechanicalproperties of Al-2oSi alloy were studied.The results showed that when the addition concentration of Al-FeNiTi master alloy is 2.0%,the morphology of primary Si is transferred from coarse irregular block andfive folds to fine and regular block and its average size is reduced from 91 m to 40 m by 56.1%.The eu-tectic Si is modified from coarse needle/flake-like morphology to the edge passivation and fine granularshape.Moreover,the primary-Al is refined from coarse dendrites to fine rosette-like structure and thesecondary arm dendrites spacing is significantly decreased,and the ultimate tensile strength(UTS)is in-creased by 41.1%from 129 MPa to 182 MPa,and the elongation(EL)is enhanced by 78.7%from 0.8%to 1.43%.Key words:Al-2oSi alloy;AlFeNiTi master alloy;microstructure;mechanical properties收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 6基金项目：国家自然科学基金（51 56 1 0 2 1），甘肃省重点研发计划项目（2 1 YF5GA075），甘肃省研究生创新之星(2023CXZX-392)通讯作者：李庆林（1 97 8-)，男，甘肃临洮人，博士，教授，博导.Email 文献标志码：Aand mechanical properties of Al-20Si alloyLAN Ye-feng,LI Qing-lin膨胀系数、良好的耐磨性和优良的铸造性能，成为铸铁和铸钢的理想替代材料而被广泛用于汽车发动机活塞、缸体、缸盖、轮毂等耐磨轻质构件的制造1-41.对于铸造Al-Si合金件而言，凝固后的微观组织特12征（-Al的形貌和尺寸,Si相的形貌、尺寸和分布状态)决定了铸件的力学性能.然而，传统金属型和砂型铸造Al-Si合金中-Al以粗大的树枝晶存在，且二次枝晶发达，而Si晶体属于小平面相，其非连续生长的特性决定了凝固后的共晶Si形貌为粗大的针片状，初生Si为粗大不规则的块状、板片状和五瓣星状；另外，分布在基体上的粗大初生Si和共晶Si会割裂基体的连续性，而且尖端会引起局部应力集中,这样的组织特征使Al-Si合金的强度、塑性、耐磨性和机械加工性能变差，从而极大地限制了轻质Al-Si合金在汽车零部件上的应用.目前，工业生产中广泛应用的变质处理能够减小Si相的尺寸、改善形貌和分布状态，同时细化粗大的-Al枝晶，提高Al-Si合金的机械性能、耐磨性和可加工性.如P形成的AIP化合物作为初生Si的形核质点细化Si 颗粒5,而Sr吸附在共晶Si的生长界面前沿，引起高密度的李晶凹槽使共晶Si的生长方式由非连续向连续生长转变，从而使共晶Si变质为多分枝的细小纤维组织6 .但是,Cho 等7 研究发现，Sr和P同时添加到Al-Si合金熔体中形成的AIP颗粒和Sr会发生反应（2 AIP十3 Sr=Al十Sr:P,）,这种现象说明复合变质会由于变质剂之间的相互“毒化”削弱初生Si和共晶Si的变质效果.然而，对于变形铝合金而言，AI-Ti-B中间合金能够有效地将合金中的-Al枝晶细化为细小的等轴晶，该中间合金作为一种成熟的细化剂在铝合金板材、型材、铝箔和线材等工业化生产中广泛应用.但已有文献报道8-9,如果将AI-Ti-B晶粒细化剂添加到含Si量高于3.5%的Al-Si合金熔体中，在凝固过程中会形成Ti(Ali-,Si.）化合物，抑制TiBz和Al,Ti粒子的形成,导致非均质形核质点数量减少，-Al的形核率降低,减弱中间合金对Al-Si合金中-Al相的细化作用，从而被认为Si致AI-Ti-B细化剂“中毒”近几年，作者课题组研究了Fe元素添加对过共晶AI-20Si合金微观组织及其耐磨性能的影响，发现Fe元素的添加能够有效细化初生Si和共晶Si组织，提高合金的耐磨性1 0 1.另外，山东大学田学雷教授发现微量Ni添加能够细化Al-20Si合金中初生 Si 组织,并且降低形核过冷度1 1.为了综合考察Fe、Ni和Ti元素的共同作用，本文研究微量Fe、Ni和Ti添加对复合合金微观组织和力学性能的影响.1实验材料及方法实验所添加的Fe、Ni和Ti元素以AIFeNiTi中间合金的形式添加到Al-20Si合金中.选用高纯兰州理工大学学报Al、Fe、Ni和Ti颗粒(纯度 99.9%)在真空电弧熔炼炉中熔配AIFeNiTi中间合金（原子比为1：1：1：1)，为了确保成分的均匀性，制备的中间合金反复熔炼4次.将工业用过共晶Al-20Si合金在Si-C棒电阻炉中熔化（8 0 0)，然后将不同质量分数(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)在450 下预热的AIFeNiTi中间合金颗粒用铝箔包裹压人到Al-20Si合金熔体中.每隔1 0 min搅拌一次，直到添加的中间合金颗粒完全熔解，对应的合金元素含量见表1.随后，将熔体温度降至7 50，加入0.5wt.%的六氯乙烷（C,Cl.）进行精炼除渣除气，保温1 0 min后对熔体进行扒渣处理.最后，待熔体温度降至约7 1 0 时浇人到2 0 0 预热的钢制模具中,浇铸试棒的尺寸为g15mm140mm.表1 不同AIFeNiTi中间合金对应的Fe、Ni 和Ti元素质量分数Tab.1Fe,Ni and Ti mass-fraction of different AIFeNiTimaster alloy中间合金质量分数0.5%AIFeNiTi1.0%AIFeNiTi1.5%AIFeNiTi2.0%AIFeNiTi2.5%AIFeNiTi对于经AIFeNiTi中间合金变质的Al-20Si合金，在试棒底部同一高度截取金相试样.对试样采用Keller 试剂(1.5 ml HCl,2.5 mL HNO3，1 m LHF和9 5 mL H,O)腐蚀后使用 Axio Scope A1光学显微镜和JSM-6700F扫描电子显微镜观察不同AlFeNiTi中间合金添加量对Al-20Si合金中-Al,初生Si和共晶Si形貌和尺寸的影响.利用EPMA-1600电子探针分析添加微量Fe，Ni和Ti元素后Al-20Si合金中元素分布状态.根据GB/T228.1一2010,加工标准拉伸试样，图1 为所加工试样的示意图.用AGS-X300kN型万能材料试验机以1mm/min拉伸速度对样品进行室温拉伸试验.202095图1 室温拉伸试样示意图（mm)Fig.1 Schematic diagram of the tensile specimen(mm)第49卷对应元素的质量分数FeNi0.1480.1560.2950.3110.4430.4670.5900.6220.7380.778844Ti0.1270.2530.3800.5060.633第4期2试验结果与分析2.11Fe、Ni和Ti元素复合作用对AI-20Si合金初生Si的影响图2 为不同质量分数（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)AIFeNiTi中间合金加人到A1-20Si合金时对应初生Si的形貌.从图2 a中可以观察到，未经变质处理的初生 Si以粗大的块状和五瓣星状分布在共晶基体上，随着中间合金添加含量的增加，初生 Si的形貌也发生了明显的变化,如图2 bf 所示.从图2 b可以看出，A1-20Si合金通过添加0.5%AIFeNiTi变质后，虽然初生Si的形貌基本保持不变，但其平均尺寸从91 m减小到了8 6 m.当Al-FeNiTi中间合金的添加量增加到1.0%和1.5%时，分布在基体上的粗大不规则块状和五瓣星状的初生Si基本消失.比较图2 b2 d 发现，初生Si变质为规则块状，且分布更加均匀，其平均尺寸分别减小到了7 2、59m.当进一步增加AIFeNiTi中间合金的添加量到2.0%时，初生Si的变质更加显著，被变质为细小规则的块状,其平均尺寸减小到40 m，减小了56%，如图2 e所示.然而，当AlFeNiTi中间合金的添加量增加到2.5%时，初生Si的尺寸没有更进一步的减小，反而出现了粗化现象，其平均尺寸增加到45m，如图2 所示.另外，从图2 微观组织的演变能够看出，随着Al-20Si合金中Fe、Ni和Ti元素添加含量的增加，-Al组织被有效细化，二次枝晶间距（SDAS)显著减小，粗大树枝晶被细化为蔷薇状或花瓣状.该结果表明，AI-20Si合金中复合张杰等：微量Fe、Ni 和Ti复合对AI-20Si合金微观组织及其性能的影响13添加Fe,Ni和Ti元素能够变质初生 Si,并且细化-Al组织，而且添加2.0%AIFeNiTi中间合金具有最佳的变质效果。2.2Fe、Ni 和Ti元素复合作用对共晶Si的影响图3是添加不同质量分数（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)AIFeNiTi中间合金对Al-20Si合金中共晶Si形貌影响的微观组织图.与图3a中未经过变质处理的共晶Si形貌相比较，添加0.5%A1-FeNiTi中间合金后，合金中共晶Si形貌仍然为粗大的针片状，但是尺寸有所减小，如图3b所示.当向合金熔体中添加1.0%AIFeNiTi中间后，从图3c可以看出，凝固组织中粗大针片状共晶Si的体积分数减少，短块状共晶Si的数量增加.观察图3d中共晶Si的形貌可以发现，当AIFeNiTi中间合金的添加量从1.0%提高到1.5%时，合金中共晶Si片层间距和尺寸显著减小，大部分共晶Si变质为短棒状和粒状.当进一步增加AlFeNiTi中间合金的添加量到2.0%时,共晶Si的尖端发生钝化，并且分布在共晶基体上的共晶Si大部分以细小粒状形态存在，如图3e所示.然而，当AIFeNiTi添加量进一步增加到2.5%时，共晶Si组织没有进一步被变质，反而部分共晶Si以粗大片状分布在合金基体上，发生了过变质现象，如图3f所示.因此，根据初生Si和共晶Si形貌的演变规律，说明以AIFeNiTi中间合金的形式向Al-20Si合金中添加Fe,Ni和Ti元素能够起到有效的变质效果，而且当AIFeNiTi中间合金的添加量是2.0%时，初生Si和共晶Si的变质效果最优。20m(a)未变质20um(b)w(AIFeNiTi)=0.5%20um(c)w(AIFeNiTi)=1.0%20um(d)w(AIFeNiTi)=1.5%图2 不同质量分数AIFeNiTi添加对AI-20Si合金中初生Si形貌的影响Fig.2 The influence of adding different mass-fraction AIFeNiTi master alloy on the morphology ofprimary Si in Al-20Si alloy20m(e)w(AIFeNiTi)=2.0%20um(f)w(AIFeNiTi)=2.5%14兰州理工大学学报第49 卷10um(a)w(AIFeNiTi)=0%10um(b)w(AIFeNiTi)=0.5%10um(c)wW(AIFeNiTi)=1.0%10um(d)w(AIFeNiTi)=1.5%图3Fe、Ni和Ti元素复合作用对AI-20Si合金中共晶Si的影响Fig.3The influent of Fe,Ni and Ti elements on morphology of eutectic Si in Al-20Si alloy图4是Al-20Si合金中添加2.0%AIFeNiTi中间合金对应的XRD图谱.从XRD图谱可以看出，当向AI-20Si合金中添加2.0%AIFeNiTi中间合金后的相组成除了-Al和Si相外，还析出了二元和三元的Al;Ti和Al,FeNi等金属间化合物，如图4所示.图5是合金的背散射图和元素的面分布图，从图5a的背散射图可以看出，组织中除了-Al、共晶Si和初生 Si外,还有一些细小的亮白色颗粒和灰色颗粒分布在合金基体上，其尺寸大约在1 3m.观察合金中各元素的分布状态，发现亮白色颗粒由Al,Ni和Fe元素组成（如图5b、c、f)，灰色粒子由Al和Ni元素组成（如图5b、c).结合XRD图谱分析（图4)和元素的面分布分析（图5），说明亮白色颗粒应当是Al,FeNi相，灰色颗粒是AlsNi,而Ti元素均匀分布在合金基体内，说明Ti完全固溶到-Al中，Sdo20图42.0%AIFeNiTi变质后的AI-20Si合金XRD图谱Fig.4XRD pattern of AI-20Si alloy after 2.0%AIFeNiTimodification10um(e)w(AIFeNiTi)=2.0%如图5d所示.在凝固过程中，由于Ni 和 Fe在-Al中的固溶度非常有限，随着凝固的进行，添加溶质元素的固溶度下降，从而Fe和Ni原子会不断地被推到固-液（S-L)界面前沿，从而在Al和Si晶体生长的界面前沿形成了Fe和Ni原子的溶质富集层，当富集的溶质元素含量达到一定程度后，在界面前沿会形成细小Al,FeNi和AlsNi金属间化合物，凝固过程中初生Si和共晶Si生长界面前沿的溶质富集抑制了Si原子的扩散；另外，当界面前沿的溶质富集到一定质量分数时，在界面前沿会形成化合物（如Al,FeNi)阻碍Si相的生长，从而使Si相形貌和尺寸发生变化.2.3AIFeNiTi对AI-20Si合金力学性能的影响图6 为Al-20Si合金中添加不同含量AIFeNiTi中间合金所对应的力学性能曲线图,其中图6 a为拉伸应力-应变曲线，图6 b为抗拉强度和延伸率.从*A1图6 可以看出，随着AIFeNiTi中间合金加人量的4Si.Al,FeNiAl,TiAlo.sFeo.sSi406020/)10um(f)w(AIFeNiTi)=2.5%增加，合金的抗拉强度和延伸率都显著提高.当A1-FeNiTi添加量是1.0%和1.5%时，Al-20Si合金的抗拉强度从未添加Fe、Ni和Ti元素的1 2 9 MPa分别提高到1 54、1 7 5MPa，同时延伸率由0.8%分别增加到1.3%和1.35%.当AIFeNiTi中间合金的添加量增加到2.0%时，Al-20Si合金的抗拉强度进一80100120步提高到1 8 2 MPa，增加41.1%，延伸率增加到1.43%，提高7 8.7%，然而，随着AIFeNiTi添加量继续增加到2.5%时，AI-20Si合金的抗拉强度和延伸率反而出现下降.这个结果与Fe、Ni和Ti元素复合添加后对应Si相的演变规律相一致，即随着添第4期张杰等：微量Fe、Ni 和Ti复合对AI-20Si合金微观组织及其性能的影响15.21243808(a)背散射图45.(b)A1元素45.m(c)Ni元素4245un(d)Ti元素图5添加2.0%AIFeNiTi的AI-20Si合金的EPMA分析Fig.5 EPMA analysis of AI-20Si alloy with adding 2.0%AIFeNiTi master alloy180160140BdN/41201008060402000.51.01.52.02.53.03.5应变/%(a)应力-应变曲线图6 添加AIFeNiTi中间合金的AI-20Si合金性能Fig.6 The properties of the AI-20Si alloy with adding AIFeNiTi master alloy加元素含量的增加，合金中初生Si和共晶Si边缘钝化,尺寸减小，而且合金凝固组织中的-Al被显著细化，从而合金的力学性能提高.但是，随着添加含量的进一步增加，出现了组织的粗化现象，而且随添加含量的增加，析出脆性金属间化合物的体积分数增加，导致合金强度和塑性降低.通过以上微观组织演变和力学性能的分析，合金的强化应归结为细晶强化、固溶强化和细小二次相的析出强化.综上所述，将通过真空电弧熔炼制备的AIFeN-iTi中间合金作为变质剂添加到过共晶AI-20Si合金中,其凝固组织中的初生Si,共晶Si和-Al相的形貌发生显著变化，并且这些相的尺寸会减小，说明45.1M(e)Si元素(f)Fe元素190180170160-OAIFeNiTi0.5%AIFeNiTi1.0%AIFeNiTi1.5%AIFeNiTi2.0%AIFeNiTi2.5%AIFeNiTi1.61.4%/索邮1.2150-UTS140EL1301200AlFeNiTi中间合金可以有效变质和细化Al-20Si合金.另外，Al-20Si合金中添加AIFeNiTi中间合金，溶质原子（如Ti)固溶到-Al中起到固溶强化作用;凝固过程中 Ni、Fe 和Al形成细小的 Al,FeNi和Al;Ni颗粒分布在Al/Si界面处或-Al枝晶间，塑性变形过程中阻碍位错运动，提高合金的抗拉强度和延伸率.从而通过AIFeNiTi中间合金变质的Al-20Si合金的强化可归结为：细晶强化；固溶强化和析出强化.3结论1）Fe、Ni和Ti元素以AlFeNiTi中间合金的1.00.80.60.51.0w(AIFeNiTi)/%(b）抗拉强度和延伸率1.52.02.516形式加人到Al-20Si合金中，初生Si的形貌由粗大不规则块状和五瓣星状变质为细小规则的块状，其平均尺寸从未变质的91 m减小到40 m,减小了56.1%；共晶Si形貌从粗大的针片状变质为边缘钝化的细小粒状.2）随着Al-20Si合金中Fe、Ni和Ti元素添加含量的增加，-Al组织被细化，二次枝晶间距显著减小，粗大树枝晶被细化为蔷薇状.3）随着合金凝固组织的变质和细化，合金的力学性能提高.当AIFeNiTi中间合金的添加量为2.0%时，A1-20Si合金的抗拉强度由未变质合金的129MPa提高到1 8 2 MPa，增加41.1%，延伸率由0.8%提高到1.43%，提高7 8.7%.参考文献：1 JEON J H,SHIN J H,BAE D H,Si phase modification on theelevated temperature mechanical properties of Al-Si hypereu-tectic alloys JJ.Materials Science and Engineering A,2019,748:367-370.2LI Yang,HU Bin,GU Qinfen,et al.Achievement in grain-re-fining hypoeutectic Al-Si alloys with Nb J.Script Materialia,2019,160:75-80.3李院斌，鲁强，王继成，等.高强韧铸造AI-Si合金成分优化及其变形行为的原位观察J.特种铸造及有色合金，2 0 2 1，41兰州理工大学学报(4):449-453.4兰哗峰，简医生，李庆林，等.高温扩散对过共晶Al-Si合金组织的影响J.兰州理工大学学报，2 0 1 4，40（6）：1-4.5武宏发，程和法，秦晓雄，等.P、L a 变质处理对过共晶AI-Si合金的影响J.特种铸造及有色合金，2 0 1 7,37（9）：1 0 37-1 0 40.6陈诚诚，秦泽斌，尚辉良，等.微量元素对铸造Al-Si合金中Sr变质行为的毒化效应JI.特种铸造及有色合金，2 0 1 8,8（1 2)：1307-1310.7 CHO Y H,LEE H C,OH K H,et al.Effect of strontium andphosphorus on eutectic Al-Si nucleation and formation of-Al,FeSi in hypoeutectic Al-Si 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