AlCu合金共晶凝固组织形貌及影响因素马涛

收稿日期:2011-03-28;修订日期:2011-04-28基金项目:陕西理工学院基金资助项目(SLGQD0744)作者简介:马涛(1977-),陕西汉中人,工程师.主要从事建筑安装方面的工作.Email:snuttang@163.comVol.32No.9Sep.2011铸造技术FOUNDRYTECHNOLOGYA-lCu合金共晶凝固组织形貌及其影响因素马涛1,唐玲2(1.中航工业陕西飞机工业集团有限公司建筑安装公司,陕西汉中723213;2.陕西理工学院材料科学与工程学院,陕西汉中723003)摘要:利用光学显微镜、扫描电镜等仪器研究了A-lCu合金中A-Al及H-Al2Cu相的生长行为,成分及冷却速度对共晶组织形貌的影响。结果发现,在过共晶组织中,初生H-Al2Cu相形貌大部分有明显的拐角,呈现小平面生长特性。在A-Al与H-Al2Cu相共晶耦合生长时,H-Al2Cu择优生长特征削弱,与A-Al耦合生长呈现非小平面-非小平面生长。在亚共晶组织中,出现了H-Al2Cu包裹着初生A-Al相的晕圈组织。随着冷却速度的加大,共晶组织细化,初生A-Al相枝晶发达,初生H-Al2Cu由大块板条状向短矩形转变。关键词:A-lCu合金;共晶组织;生长方式;冷却速度中图分类号:TG146.2文献标识码:A文章编号:1000-8365(2011)09-1283-04SolidificationMorphologyofA-lCuAlloyandItsInfluencingFactorsMATao1,TANGLing2(1.SchoolofMaterialsScienceEngineering,ShaanxiUniversityoftechnology,Hanzhong723003,China;2.Con-structionandInstallationCompany,AVICShaanxiAircraftIndustryGroupCorporationLtd.,Hanzhong723213,China)Abstract:ThemorphologiesofprimarycrystalphaseA-AlandH-Al2CuinA-lCualloyswithvariouscompositionandcoolingvelocitywereobservedbyopticalmicroscope(OM)andscanningelectronmicroscope(SEM).TheresultsshowthattheprimarycrystalphaseAl2Cuinthehypereutecticstructurehaveobviouscorners,thatindicatestheyhavethefacetedgrowthproperties.ButwhenitgrowswithA-Alintheeutecticstructures,thepreferredorientationofAl2Cuisweaken,andthenon-facetedtonon-facetedcoupledgrowingisshowed.ThehalomicrostructuresofprimaryA-AlphasesurroundedbyH-Al2Cuwerefoundinthehypoeutecticstructures.Withtheincreasingofcoolingrate,theeutecticstructurebecomesfinerandfiner,anddevelopedprimaryA-Alphasecanbeobserved.ThebigplateprimaryH-Al2Cuphasebecomesshortrectangle.Keywords:A-lCualloys;Eutecticstructures;Growthmethod;Halo金属间化合物相作为共晶合金中增强相或功能相往往起很大的作用[1,2]。在这些合金体系中,金属间化合物基本特性不同于一般合金,是一种高比强、低塑性/韧性合金,有很高的强度、硬度和高的熔点及特殊的性能,这就给新一代的航空和航天器、汽车以及化工工业的发展提供比常规材料性能优越的选择。为了充分体现其性能特性,需要在合金制备中尽可能提高其体积分数。本课题旨在研究不同Cu含量的A-lCu合金共晶组织的析出方式及形貌特征,为共晶合金凝固研究提供参考。采用A-l25%Cu和A-l40%Cu合金为研究对象,通过不同铸型条件下合金的铸态显微组织,来探讨初生A-Al及初生金属间化合物相H-Al2Cu,以及共晶Al/Al2Cu的凝固行为。1试验方法用高纯铝锭(质量分数\99.98%,下同)与电解铜板(\99.95%)为原料,分别在5kW井式坩埚电阻炉内熔炼A-l25%Cu和A-l40%Cu合金。在出炉温度搅拌并静置15min,待温度降到高于合金的液相线温度100e左右浇入–20mm@110mm的金属型及砂型2种铸模中制取试样,试样研磨抛光后用1mLHF+3mLHNO3+46mLH2O的溶液腐蚀,采用LeciaDM4000M显微镜、JSM6390扫描电镜及SIS-#1283#FOUNDRYTECHNOLOGYVol.32No.9Sep.2011CIASV8.0金相图像分析软件观察组织。2试验结果及分析2.1初生A-Al及初生金属间化合物H-Al2Cu相在不同生长阶段 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现的生长行为图1是A-l25%Cu、A-l40%Cu在不同铸型下的显微组织照片。图1a和b中可以明显看出,A-l25%Cu合金在两种不同铸型下的凝固组织都是由一定数量的初生A-Al相和密集的层片共晶组织组成,属于典型的亚共晶组织。无论是在金属型还是砂型的凝固条件下,初生A-Al相的形貌都呈现近似圆形,为典型的非小平面凝固方式。在砂型和金属型中,随着冷却速度的加快,初生A-Al相枝晶发达且细化,共晶组织明显细化,且层片共晶组织出现大量的集群结构。图1c、d是A-l40%Cu合金分别在砂型和金属型中铸造试样的显微组织。可以看出、A-l40%Cu合金的凝固组织是由一定数量的初生金属间化合物相H-Al2Cu和密集的层片共晶组织组成,属于典型的过共晶组织。过共晶组织中初生金属间化合物相H-Al2Cu与亚共晶组织中初生A-Al相的形貌有着明显的不同,初生A-Al相没有明显的拐角,而初生金属间化合物相H-Al2Cu大都有明显的拐角,这表明在过共晶A-l40%Cu合金中,初生金属间化合物相H-Al2Cu在生长过程中表现出小平面生长。且随着冷却速度的加快,H-Al2Cu相由长板条状(图1d)向短矩形(图1e)转变,共晶组织也得到了明显的细化。图1A-l25%Cu和A-l40%Cu合金的显微组织Fig.1MicrostructuresofA-l25%CuandA-l40%Cu2.2共晶领先相的析出特征对A-l25%Cu亚共晶合金的砂型铸造显微组织进行观察,可以看出在初生A-Al相的周围包围着一层白色晕圈H-Al2Cu相,周围的共晶组织以白色晕圈为衬底呈辐射状生长,形成共晶集群(见图2a)。在A-lCu系合金的共晶组织中,A相的体积分数较小,在金相视野中二维形貌为片状,呈灰黑色;白色基底为H相,共晶形貌为片状和少量棒状。从图2a还可以发#1284#5铸造技术609/2011马涛等:A-lCu合金共晶凝固组织形貌及其影响因素现,共晶A-Al(灰黑色)与初生A-Al相枝晶(灰黑色)并未相连,中间隔白色晕圈。而共晶H-Al2Cu相(白色基底相)却与白色晕圈相连。据此推断白色晕圈相为H-Al2Cu相。即共晶转变前必须先在初生A-Al相枝晶周围形成H-Al2Cu相晕圈作为衬底,共晶转变时共晶相依附于其上生长。在砂型中铸造的A-l40%Cu过共晶合金的显微组织中分布着灰白色板条状的初生H-Al2Cu相,其周围没有晕圈出现(见图2b)。初生相间存在着棒状和层片状共晶组织。且初生相呈典型的小平面方式凝固。图2亚、过共晶A-lCu合金的显微组织Fig.2Microstructuresofhypoeutectic/hypereutecticA-lCualloy3讨论3.1初生A-Al的非小平面性及初生金属间化合物H-Al2Cu相的小平面性晶体的生长方式和生长表面的特性与界面的性质有关。图3和图4分别是小平面相和非小平面相在生长过程中形貌变化的示意图。图3a中小平面相本身由低指数光滑面包围,生长过程中有很强的各向异性。在生长中,棱角处的驱动力(如过冷度)比棱面处的大,所以棱角处生长快,见图3b,小平面相最终的形态中仍然由有棱角的界面组成,见图3c所示。对于非小平面,其开始呈现球状形状,见图4a,但随凝固的进行,界面出现失稳,形状发生变化,如图4b所示。如果失稳的驱动力很大,晶体的形貌就会演变成枝晶,见图4c,在立体晶体中/十字0形枝晶尖端生长方向为<100>[3~6]。图3小平面相生长形貌演变Fig.3Evolutionofthemorphologiesbyfacetedgrowth在结晶过程中,初生A-Al与液体的界面为粗糙界面,原子在界面各处堆砌的能力相同。因此在相同的过冷条件下,界面各处的生长速度均相等,晶体的生长方向与热流方向相平行,在显微尺度下有着光滑的生长表面;而初生相H-Al2Cu与液体的界面为平整界面,平整界面有着很强的晶体学特征,由于不同晶面簇上原子密度和晶面间距的不同,故液相原子向上堆砌的能力各不图4非小平面相生长形貌演变Fig.4Evolutionofthemorphologiesbynon-facetedgrowth相同。因此在相同的过冷条件下,各族晶面的生长速度各不相同,出现棱角分明的密排小晶面组成。在A-Al与H-Al2Cu共晶生长过程中,H-Al2Cu的择优生长特性削弱,而是与A-Al互相耦合生长,呈现非小平面-非小平面生长行为。3.2共晶晕圈的形成分析晕圈是共晶合金的凝固过程中的一种特殊组织,其组织形态特征是合金系的某一初生相外包裹着另外一个初生相。在晕圈的现有形成理论中,主要考虑了成分及凝固速率两方面因素对晕圈形成的影响[7~10]。通常认为,晕圈的形成与共晶两相的形核能力及生长速率的差异有关,共晶系中并不是在所有成分的合金的凝固过程中都能观察到这种现象,晕圈主要发生在非共晶成分合金的凝固组织中,而对共晶成分合金是否出现晕圈组织缺乏论述和实验依据。根据较早提出的非共晶合金在非定向凝固条件下晕圈形成的模型,在亚共晶合金中,初生A相在平衡液相线以下的一定过冷度下形核并长大,随着液相线温度降低枝晶逐渐长大时,固-液界面前沿液相的成分为平衡成分,初生#1285#FOUNDRYTECHNOLOGYVol.32No.9Sep.2011A相继续长大直到H相在某一过冷度条件下开始形核为止。如果H相形核的过冷度小到能够忽略,或者随着过冷度的增大,共晶共生区显著地向H相方向倾斜并逐渐包围住A相液相范围,则共晶的生长将直接从初生A相开始,晕圈将不能形成(见图5a)。如果H相形核需要的过冷度大到不能忽略的程度,且共晶共生区没有覆盖住共晶温度以下A相液相线的延长线,则H相包围A相的晕圈组织将在初生A相内或周围形成,这种关系如图5b所示。当晕圈逐渐生长时,每个晕圈-液相界面附近液相的成分将逐渐向共晶共生区移动,当移动至共晶共生区的右边界时共晶开始生长。实验中在亚共晶A-l25%Cu合金中观察到晕圈组织特征,表明在不同过冷度时A-lCu合金的共晶共生区类似于图5b。过共晶合金的晕圈组织的形成机制类似于上述亚共晶合金晕圈组织的形成机制,此时A相在初生H相附近处形成晕圈组织。图5非定向凝固条件下晕圈的形成Fig.5Formationofhalostructureunderconditionofnon-directionalsolidification对于A-lCu过共晶合金而言,Al为非小平面相,而初生Al2Cu为小平面相,由于过冷动力学的关系,Al2Cu液相线将显著降低,而Al液相线则不会。所以,在凝固过程中初生Al2Cu相附近液相的成分将随着液相线的降低而不断变化,一旦其成分达到Al2Cu液相线相应成分点时,就会形成晕圈组织。但在本实验中,A-l40%Cu合金中并没有出现典型的晕圈现象,表明其实验过程中液相成分没有达到其相应的晕圈成分点。3.3冷却速度对共晶A-lCu合金凝固组织的影响通过图1中A-l25%Cu和A-l40%Cu合金在砂型和金属型中铸造试样的显微组织可以看出,随着冷却速度的加快,初生A-Al相枝晶发达且细小,共晶组织明显细化并出现大量的共晶集群。冷却速度对共晶组织形貌的影响有以下几个方面:¹改变了初生树枝晶的形态;º冷却速度影响凝固的枝晶前沿液相的溶质浓度分布梯度,进一步影响共晶组织的形核、长大;»快速冷却使得棒状共晶组织减少。4结论(1)A-Al及Al2Cu相在不同的生长阶段表现出的生长行为不同,作为共晶组织的组成相,A-Al和H-Al2Cu相互制约,以非小平面的方式耦合层片或棒状生长。在A-l25%Cu合金中,初生A-Al以非小平面的各向同性生长,而在A-l40%Cu合金中,初生H-Al2Cu呈现明显的小平面生长。(2)在A-l25%Cu合金中,出现了H-Al2Cu包裹着初生A-Al相的典型晕圈组织,但在A-l40%Cu合金没有发现明显的晕圈相。(3)随着冷却速度的加大,共晶组织出现明显的细化,大量的共晶集群出现,初生A-Al枝晶发达,大块板条状初生H-Al2Cu相向短矩形转变,得到显著的细化。参考文献[1]陈国良.金属件化合物结构材料研究现状与发展[J].材料导报,2002,14(9):1-5.[2]杨晓华,吕涛,丁华东.金属间化合物增韧机理[J].稀有金属材料与工程,1996,25(4):1-4.[3]闵乃本.晶体生长的物理基础[M].上海:上海科学技术出版社,1982.[4]胡汉起.金属凝固原理[M].第二版.北京:上海科学技术出版社,1982.[5]唐玲,李双明,艾桃桃,等.定向凝固A-l38.5%Cu合金中Al2Cu相的小平面特性[J].热加工工艺,2009,38(1):19-22.[6]李珍珍,李双明,傅恒志.小平面相的定向凝固与生长[J].铸造技术,2010,31(9):1151-1155.[7]NaveMD,DahleAK,StjoneDH.Haloformationindirectionalsolidification[J].ActaMateralia,2002,50:2837-2849.[8]GgliottiJrmfx,ColliganGa,PowellGf.Haloformationineutecticaoolysystem[J].Mettrans,1970,1(4-7):891-897.[9]周正,冯毅.A-lSi合金凝固组织中的晕圈现象[J].材料热处理学报,2009,30(4):81-84.[10]吕海燕,李双明,刘林,等.Cu-55Sn亚包晶合金的定向凝固组织研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26(12):753-756.#1286#