HRTEM表征熔纺的Al-Si-Cu系镁合金凝固以不同的速率

319系列是在汽车行业中最广泛使用的铝合金中的一种。该合金的硅含量为5.5至6.5，铜含量为3.0至4.0（重量百分比）[1，２］．319合金的主要硬化成分是Al₂铜(θ.），并且当被添加镁老化过程是特别合适的，由于镁的形成₂Si是一种重要的强化析出物。Ouellet et al.[1]等报道了al - si - cu - mg合金通过协同析出而出现的硬化峰θ.和米格₂Si颗粒yabo214。319合金的铸造组织包括α.-al，Si共晶颗粒，mgyabo214₂是的,θ.，艾尔₅铜₂镁₈如果₆(问)和其他金属间化合物[3]．Q相位具有高的Mg含量，是在高度不溶α.-铝基体，即使在固溶热处理后。这就是为什么必须避免或至少最小化Q相的形成。通过应用在快速凝固(RSP)过程中，有可能获得含有较多合金元素的过饱和固溶体，并避免或尽量减少第二相的形成。用这种方法生产的零件可用于发动机的气缸套、活塞门挡圈和整体块[4]等零件。快速凝固过程，冷却速率大于10^3.ks.^-1允许减小晶粒尺寸，扩大固溶体范围，降低偏析水平，在某些情况下形成亚稳晶相和非晶相[5，6]，取决于凝固速度。在铝合金熔体纺丝工艺中，人们广泛研究了纺丝速度对铝合金组织和化学性能的影响。有一篇关于Al-Si-Cu合金表征的报道通过仅使用一种转速获得的RSP获得。然而，其影响319铝合金在加入Mg和改变转速时组织的RSP未见报道。除了第二相形成的分析之外，重要的是分析在第二相形成过程中可能形成的纳米结构α.-铝基体是RSP生产的合金最重要的特征。这项工作的第一个目标是：填补缺乏关于Al-Si-Cu-Mg熔纺合金的微观结构表征的信息。研究了镁含量和转速对纳米结构和显微硬度的影响。这些方面在熔融纺丝Al-Si-Cu-Mg合金的文献中尚未报道。

实验

采用Al-8.5Si-0.3Mg (wt.%)的356合金锭作为中间合金。纯铜（粉末，纯度>99.99%）和镁（铸锭，纯度>99.95%）与中间合金一起用作原料，以生产三种不同镁含量的合金。亚博网站下载在感应炉中，在受控氩气气氛下，在石墨坩埚中进行铸造。然后在石英管中重新熔化锭，并在直径孔径0.5mm的孔中喷射到a的表面上抛光铜轮直径200毫米。实验在氦气氛下进行，以避免熔体氧化。坩埚孔与砂轮之间的距离为7 mm。这些丝带是用塑料制成的铜轮的切向速度为30和45毫秒⁻¹．由熔融纺丝产生的丝带的厚度为30-50至20-40之间μ.M，转速为30 ms和45 ms时⁻¹分别地这一结果与Hattel和Pryds[10]对钢带熔炼的结果一致。他们报告说，带材厚度的指数相关的车轮速度。测定了所得合金的化学成分鉴于在表格1中。

表1．所得合金的化学成分(wt.%)。

采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和x射线衍射仪(XRD)对纺丝带进行了表征。为了比较不同色带的力学性能，选择了显微硬度测试。与铜轮接触的冷却面及横截面对熔纺带的性能进行了表征。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）中的溶液，以观察本结构中使用，主要在α.-艾尔。SEM和TEM检查进行了使用JEOL JSM 6400型号扫描电子显微镜在20kV操作和FEG-飞利浦TECNAI F20透射型电子显微镜在200kV，分别操作。OM和SEM研究的样品安装在环氧树脂中，使用标准金相技术制备，然后在2mL HF, 3ml HCl, 5ml HNO溶液中进行化学蚀刻_3.和190毫升H₂O代表15秒结构观察。通过使用GataN 656凹坑研磨机凹入，然后使用GataN 691精密离子抛光系统析出氩离子研磨来制备TEM样本。利用CuK在西门子400 x射线衍射仪上进行了XRD测量α.30千伏和25毫安辐射。显微硬度测量使用在采用25克负载的莱茨Wetzlar的显微硬度计的维氏金刚石压头进行。进行统计分析，以获得重现性和准确性的结果。

结果和讨论

在所有实验条件下，条带的形态相似。在冷却表面附近观察到无特征层，而从冷却表面到自由表面，晶粒变得更粗。一个f无土区是快速淬火合金[7]所特有的，它表明带与车轮之间有良好的接触。无特征层厚度始终小于5μ.m。45ms的结构更精细⁻¹带比为30毫秒⁻¹一个。在冷却表面，带状组织为树枝状等轴组织。30ms后的细胞形态⁻¹图1a和图1b分别描述了横截面和冷却表面含0.59%Mg的带状。显然，冷却速度在冷却表面最高。结果，获得了无特征层。靠近自由表面时，随着冷却速率的降低，固液界面的稳定性降低。同时，组织粗化。凝固率与转速进行成比例[10]。对于我们工作中使用的转速，凝固速率约为1.52 x 10⁷和2.11 x 10⁷ks.^-1对于30和45 ms的速度^-1分别地这些数据使用Matyja等人[11]推导的关系进行计算，对应于0.27和0.20的枝晶臂间距μ.m分别。

图1所示。OM（A）和SEM背散射电子（B）显微照片显示在30毫秒的带状熔体的形态⁻¹:(a)在横截面，(b)在冷却表面。

30和45ms的XRD光谱⁻¹色带如图2所示。与预期的一样，在较高的转速下，熔体纺丝后，第二相的峰值强度降低。这意味着减少了自由秒相的内容物，而固体溶液中的合金元素内容物增加。Q相位峰值为30毫秒⁻¹对于镁含量为3.80%和6.78%的合金，很容易辨别出带状物，而一个小的峰值对应于θ.观察到用0.59％的Mg的合金。对于45毫秒⁻¹色带，只有衍射峰α-mg含量为0.59和3.80%的合金均为Al固溶体。在Mg含量为6.78%的合金中可以观察到一个小的Q相峰。这表明车轮的转速与色带的冷却速率成比例，对自由第二阶段的含量有很大影响（θ.和Q）。从剖面A到剖面C，峰α-Al稍微移动到较大的2θ.值，表明更多合金化元素被溶解在α.Al基体。

图2。带旋转速度为30毫秒的磁带XRD型材⁻¹女士和45⁻¹对于具有的合金：（a）0.59％Mg，（b）3.80％Mg和（c）6.78％Mg。

熔融纺丝带的TEM亮场图像和它们各自的衍射模式如图3a-f所示。T他合金的微观结构，30毫秒0.59％^-1观察到在F图3a，由α.- -矩阵和粒yabo214子属于直径约50-100纳米。分别由图4a所示的EDS分析可知，颗粒的组成为yabo214艾尔₂Cu，与XRD观察结果一致．图3b和3c显示了Mg含量为3.80和6.78%的合金中直径yabo214约为10-30 nm的小颗粒。对这些粒子的化学分析表明它们与yabo214α.-Al，如图4b和4c中的EDS所示。纳米级的形成α.-这些合金yabo214中的铝颗粒可以解释为存在更多的合金元素（更高的镁含量，通过比较图4b和4c中EDS的镁峰观察到），从而改变过饱和固溶体的含量。

图3。30 ms时获得的合金亮场电子显微照片^-1用：（1）0.59％的Mg，（b）中3.80％的Mg和（c）6.78％的Mg和用于45毫秒^-1色带含：（d）0.59%Mg，（d）3.80%Mg和（e）6.78%Mg[艾尔₂铜和α.- 箭头颗yabo214粒]．

存在fccα.-具有近似yabo214球形或椭球形形态的铝颗粒已报道Inoue等。[12]为铝镍铈 - 铁合金。在所有情况下，衍射图都显示了特征环α.-Al，这表明小尺寸的微晶存在由于快速凝固的过程。对应于θ.阶段(图3a)没有观察到。这一事实可以解释为这一相的平面距离α.-Al非常接近，其各自的环可能重叠。对于45毫秒^-1色带的微观结构发生变化。数量θ.和α.-Al颗粒yabo214减少相比，30毫秒^-1与图3a和3c相比，可以在图3d和3f中观察到。这一结果与XRD观察，其中观察到在对应于第二相峰的强度的降低相一致。

图4。EDS分析显示：（a）Al的化学成分₂mg含量yabo214为0.59%的合金中存在Cu颗粒，(b)α.-Al颗粒yabo214存在于含3.80%Mg和(c)的合金中α.-镁含量为yabo2146.78%的合金中存在铝颗粒．

纳米级的存在θ.和Q颗粒的HRyabo214TEM观察，与XRD分析结果一致。如图5a所示，小θ.纳米晶的直径约为2纳米，存在于晶体中α.-t的Al矩阵he合金含0.59% Mg。结构分析θ.揭示我们那个rientation似乎是随机的，与用于吉尼耶-普雷斯顿区域，其中的中间体化合物在时效硬化铝合金Al基体的择优晶体平面沉淀不同。获得的结构类型与Kim等人[13]报告的其他铝合金的结构类型相似。两个特征点的快速傅里叶变换（FFT）被索引到显微照片，显示与晶体相关的频率θ.和α.-艾尔。对于图5b中的合金CAM03（3.80%Mg），可以清楚地看到具有多个对应于Q的晶畴的图像。FFT揭示了与Q和晶体相关的频率α.- 也如图5B所示。该相的尺寸在2 ~ 5 nm范围内。在这种情况下也取向似乎是随机的。Mg含量为6.78%的合金也出现了Q的纳米晶。

图5。高分辨率图像及其各自的FFT显示出存在：（a）FCCα.Mg含量为0.59%的合金为-Al相，Mg含量为3.80%的合金为(b) Q相^-1．

HRTEM图像为45 ms^-1色带如图6a和6b所示。对于镁含量低（0.59%）的合金，除了θ.使yabo214用传统TEM观察到的颗粒，这是一种由fcc组成的纳米结构α.-非晶态铝yabo214颗粒α.-可以观察到铝。各自的FFT显示了非晶区域的存在，这是常规透射电镜无法检测到的，这一事实可以解释为非晶相的数量较低。对于Mg含量为3.80和6.78%的合金，则为fcc纳米结构α.-非晶态铝yabo214颗粒α.-还观察到了铝。非晶态纳米Q粒子yabo214α.-Al也被观察到，如图6b所示。这种非晶结构类似于井上[9]报道的短程无序和长程有序结构，是一种不同于非晶、准晶和晶体结构的新型非平衡结构。进一步得出结论，FCCα.-Al在与非晶相共存也与溶质元素富集亚稳相。这种结构特征允许我们推定该混合结构是由非晶相的第一凝固形成的，接着使残存的液体的凝固作为FCCα.-艾尔，θ.或Q相。

图6。高分辨率图像和示出的存在它们各自的FFT：（一）FCC和无定形α.- 对于具有0.59％Mg和（B）Q相和无定形的合金的合金α.- 合金为3.80％mg，f或在45毫秒获得的合金^-1．

表2为不同转速下条带的显微硬度值。镁ydF4y2Ba当Mg含量从0.59增加到3.80％时，icrohardness增加。从3.80到6.78% Mg显微硬度保持不变。对于镁含量较高的合金，有两个重要的因素有助于显微硬度的增加：（1）纳米第二相含量较高；（2）固溶体中镁含量较高。可以看出丝带的微硬度在45岁女士^-1在30 ms时，条带的显微硬度是1.2到1.3倍吗^-1．随着旋转速度的增加无定形的存在α.-铝相是显微硬度值增加的主要原因。

表2：显微硬度（VHN_200p.）对于使用30和45 ms的切向速度的实验合金^-1．

结论

30ms的HRTEM分析^-1丝带证明了形成的纳米结构组成θ.和α.-铝适用于镁含量为0.59%的薄带，而镁含量为3.80%和6.78%的薄带纳米结构的组成对应来问和α.-艾尔。对于45毫秒^-1的非晶带材，区域α.过程被观察到。为Al-Si-Cu-Mg合金研究，它难道甚至不可能得到一个完美的固溶体吗熔体纺丝高旋转速度的技术。到Q的更大数量的形成的增加的Mg含量动态α.-Al纳米颗粒，这yabo214是恒定转速下合金显微硬度提高的主要原因。转速的增加导致自由第二相数量的减少，固溶体中合金元素数量的增加和非晶区的形成。这些事实表明在较高的转速获得的合金是硬度增加。

确认

作者谨此感谢F. Solorio，G. Lara和R.D.Cervantes的技术援助，并承认CIC和CGEP（UMSNH），México以及Castech S.A.De C.V提供的材料提供的财务支持。

参考

1. 陈志强，“Al-Si-Cu - 319型铸造铝合金的时效行为研究”，材料科学与工程学报，34(1999)4671-4697。亚博网站下载亚博老虎机网登录
2. FH塞缪尔，A。M塞缪尔和H。Liu，“镁含量对水冷Al-Si-Cu-Mg-Fe-Mn（380）合金铸件时效行为的影响”，材料科学杂志，30（1995）2531-2540。亚博网站下载亚博老虎机网登录
3. Z. Li, A. M. Samuel, F. H. Samuel, C. Ravindran, and S. Valtierra, “Effect of alloying elements on the segregation and dissolution of Al2Cu phase in Al-Si-Cu 319 alloys”, Journal of Materials Science, 38 (2003) 1203-1218.
4. W. H.亨特JR“在铝基-P的新方向/ M材料用于汽车应用”，国际杂志粉末冶金，36（2000）51-6亚博网站下载0中。
5. FJDom，“梅尔茨潘铝业在活塞比赛中取得成功”，铝业，70（1994）575-578。
6. H. H.利伯曼“由激冷块制成急冷凝固合金熔体纺丝工艺”，杂志晶体生长，70（1984）497-506。
7. M. Lutfi, N. P. Unlu, N. Eruslu和a . Genc，“熔融纺丝Al-8Si-5.1Cu (wt.%)合金的表征研究”，材料学报，57(2003)3296-3301。亚博网站下载
8. 张志军，“Al - xSi - 3.3Fe (x = 10, 20 wt.%)三元合金的表征研究”，《合金与化合物学报》，32(2001)239 -256。
9. A.井上，“铝基系统中的非晶、纳米准晶和纳米晶合金”，《材料通讯》，31（1997）130-140。亚博网站下载
10. 王志强，“钢柱状生长的强度与砂轮速度的关系”，《材料科学与工程》，38(1998)723-727。
11. H. Matyja，B.C.Giessen和N.J. Grant，“冷却速度对Splat冷却铝合金的枝晶间距的影响”，金属研究所，96（1968）30-32。
12. A. Onoue，Y.Horio，Y.Kio和T.Masumoto，“含有纳米级FCC-Al颗粒的Al88Ni9Ce2Fe1非晶合金的升高温度强度”，材料交易，33（1992）669。亚博网站下载yabo214
13. Y.H.Kim，A.inoue和T.Masumoto，“含有纳米级FCC-Al颗粒的Al88Y2Ni10-XMX（M = Mn，Fe或Co）非晶合金的超高机械强度”，材料交易，32（1991）599。亚博网站下载yabo214