受控凝固及其应用研究进展

本文对作者所在课题组近20年来开展的受控凝固研究与应用工作进行了综述,主要包括凝固前母相的熔体热处理、液/固两相区的半固态处理、非平衡材料的快冷顺序凝固、半固态快冷顺序凝固等,以及将受控凝固扩展到固态相变阶段的定向热处理、定向凝固与定向固态相变相结合的"双控"材料制备新技术等。同时,展望了受控凝固技术及其应用今后的发展方向。

过共晶Al-18%Si合金受控扩散凝固组织与行为

采用受控扩散凝固(CDS)技术制备过共晶Al-18%Si合金,研究其凝固组织随低温母合金温度变化的演变规律和凝固行为本质。结果表明:受控扩散凝固能抑制初生硅相的过度各向异性生长,有效改善合金凝固组织结构。采用适当温度的Al-25%Si合金(800℃)和纯Al(580℃)混合进行受控扩散凝固时,凝固组织中初生硅相分布均匀,无宏观偏析,且其平均尺寸达到42.85μm。当纯Al温度偏低时,凝固组织中初生硅相偏聚严重;当纯Al温度较高时,凝固组织中初生硅相尺寸偏大。分析表明:在受控扩散凝固过程中,固-液界面前沿形成了较小的"成分过冷",初生硅相在过冷区内趋于平界面生长。溶质原子扩散距离的平方与平衡温度成对数关系,温度愈高,扩散愈充分,宏观偏析愈少。

混合方式对受控扩散凝固过共晶Al-Si合金初生硅相的影响

采用受控扩散凝固技术(CDS)制备Al-15%Si(质量分数)合金,研究混合方式对受控扩散凝固Al-15%Si合金初生硅相尺寸、形貌和分布的影响。结果表明:受控扩散凝固可以明显细化初生硅相,改善初生硅相形貌和在组织中的分布。其中,液-液混合细化效果比固-液混合细化效果好,特别是通过液态纯铝与液态Al-25%Si合金的液-液混合受控扩散凝固制备得到的凝固组织,其初生硅相平均尺寸仅为14μm,且在组织中分布均匀。

受控扩散凝固制备过共晶Al-Si合金及其热力学分析

采用液-液混合受控扩散凝固技术(CDS)制备过共晶Al-20%Si合金,研究高硅合金温度对目标合金组织中初生硅的影响及混合过程中初生硅细化的热力学条件。结果表明:采用液-液混合制备过共晶铝硅合金,可以细化初生硅,初生硅平均尺寸可达到37μm;但随着高硅合金温度的升高,初生硅的平均尺寸增加,板条状和五瓣星状初生硅也增多,当高硅温度超过790℃时,初生硅细化效果丧失。分析得出,只有当混合前两种合金吉布斯自由能的加权平均值小于混合后目标合金在液相线的吉布斯自由能(liquidusfinal,m G=-39.336 6 kJ)时,初生硅才能得到明显的细化。

受控扩散凝固结合复合变质对高硅铝合金组织和性能的影响

采用受控扩散凝固(CDS)技术结合复合变质剂制备了Al-30%Si(质量分数)合金,研究了CDS和复合变质的机制,及其对合金组织的演变和力学性能的影响。结果表明:由于过冷产生的大量晶核和引发的强制对流,CDS技术可以有效地细化初晶硅。通过在高温熔体中添加含P变质剂,在低温熔体中添加含Sr变质剂,解决了普通铸造中P与Sr不能同时添加的问题,使初晶硅尺寸由原来的超过250μm细化到了24.7μm,共晶硅也由针片状变质为颗粒状。合金的抗拉强度从24.6 MPa提高到了136.76 MPa、断后伸长率从几乎为零增加到了0.82%。

母合金成分和混合温度对受控扩散凝固组织的影响

采用强制对流混合方式的受控扩散凝固技术制备了亚共晶Al-8%Si合金,研究了不同的母合金成分和混合温度对亚共晶Al-8%Si合金组织中初生α-Al相的形貌和尺寸的影响。结果表明,在纯Al与Al-12%Si合金混合后制备的Al-8%Si合金中初生α-Al相为细小圆整的球状晶,而且在纯Al的混合温度为665℃时,初生α-Al相的细化效果最好,晶粒尺寸可以达到43μm。随着母合金中Si含量的增加与纯Al混合温度的升高,初生α-Al相的细化效果变差。

受控扩散凝固工艺凝固机理与调控机制研究进展

利用铸造工艺成形液固区间较大的合金体系,有效细化初生组织并抑制热裂甚为关键。不同于传统的凝固,受控扩散凝固(Controlled Diffusion Solidification,CDS)能有效解决铝合金铸件近净成形过程中的热裂问题,并简化工艺流程,为其工业化应用提供可能。综述了CDS工艺过程机理的研究进展,总结了关键性过程(如混合、温度场和溶质场的重新分布,3种类型的形核等),并归纳了工艺参数(如前驱合金温度、初始质量比和混合速率等)对CDS组织非枝晶转化率的影响,最后总结了CDS凝固机理和调控机制现存问题,并对CDS工艺的未来发展方向进行了展望。

不同过热温度控制及混合方式对过共晶Al-Si合金初生Si的影响

通过受控扩散凝固技术制备了含Si量不同的Al-Si合金,研究不同过热温度和混合方式对过共晶Al-Si合金初生Si相的影响。研究表明：随着Al-25Si过热温度的增加,初生Si相尺寸和长宽比减小,组织分布更为均匀;采用液-液混合方式初生Si相的效果比较好;随着Al-Si合金中Si含量的减小,初生Si相尺寸减小。

受控扩散凝固技术(CDS)制备过共晶Al-18Si合金

采用受控扩散凝固(CDS)技术制备过共晶Al-18Si合金,研究了不同母合金成分在不同混合方式下混合对Al-18Si合金凝固组织中初生Si相尺寸、形貌及分布的影响。结果表明,在母合金过热温度相同的情况下,采用固态纯Al与液态Al-25Si混合,能够得到最佳的合金组织,其初生Si平均尺寸达到11.68μm,形状因子达到1.608,细化效果良好。分析表明,同种混合方式下,高Si母合金中Si含量越高,细化效果越好。当高Si母合金中Si含量较高时,液液混合能减少初生Si偏聚,得到良好的组织。当高Si母合金中Si含量较低时,固液混合得到的组织相对较好。

母合金成分对受控扩散凝固铸造ZA27合金组织的影响

采用受控扩散凝固技术铸造ZA27合金,研究了母合金成分对受控扩散凝固铸造ZA27合金组织的影响。结果表明,受控扩散凝固能够细化ZA27合金的组织,改善组织形貌。随着母合金2(Al-Zn-Cu-Mg合金)中Zn含量的增加,母合金1(纯Zn)对母合金2的激冷与对流搅拌作用减弱,受控扩散凝固技术对ZA27合金组织的影响减弱。当母合金2中Zn含量为0时,晶粒尺寸最小,仅为95.9μm,呈不规则的颗粒状;母合金2中Zn含量为10%时,晶粒尺寸为103.8μm,开始出现等轴晶;母合金2中Zn含量为30%时,晶粒尺寸达到137.3μm,略小于ZA27合金传统铸造的145.6μm,出现树枝晶;当母合金2中Zn含量达到40%时,晶粒尺寸达到145.4μm,受控扩散凝固技术对ZA27合金组织的影响基本消失。

混合比和温度对受控扩散凝固制备7075铝合金初生α-Al相的影响

采用受控扩散凝固(CDS)技术制备7075铝合金。研究了不同母合金成分(混合比)与不同混合温度对7075铝合金凝固组织中初生α-Al相尺寸、形貌及分布的影响。结果表明,当母合金混合比例为1∶1且浇注温度为637℃时,混合后能够得到最佳的金相组织,其初生α-Al相平均尺寸达到91.70μm,形状因子达到2.56。分析表明,相同混合温度下Al-ZnMg-Cu母合金中Zn-Mg-Cu含量越低,细化效果越好。在相同混合成分和混合比浇注时,混合温度越低,其初生α-Al相越细小圆整。

CDS铸造过共晶铝硅合金组织及性能研究

采用受控扩散凝固（CDS）技术制备Al—20％Si合金，研究了混合方式和高硅合金的混合温度对目标合金组织和性能的影响，探讨了合金组织与热膨胀性能之间的关系。结果表明，采用受控扩散凝固技术，纯铝液（660℃）与高硅合金液（850℃）混合所制备的目标合金初生硅相分布均匀，形貌规整，尺寸最小，合金的线膨胀系数也最小（15．7×10^-6℃^-1，30-300℃）。分析表明，Al—20％Si合金热膨胀性能主要取决于合金组织中初生相的分布和形貌的规整性，与尺寸大小关系不大。

CDS及导流器对Al-20%Si合金初生硅相的影响

采用受控扩散凝固(CDS)技术和冷却导流器(CC)制备Al-20%Si(质量分数)合金,研究导流器角度及浇注温度对CDS制备Al-20%Si合金初生硅相的影响。结果表明:CDS和导流器均能细化初生硅相,且与常规的CDS过程相比,引入导流器可以更好地细化初生硅相,且随着导流器角度的减小,细化效果变好。采用820℃的Al-30%Si与660℃的纯铝混合,导流器角度为30°,浇注温度为630℃时,可以得到平均尺寸仅为18.8μm的初生硅相,且其分布均匀。分析认为:CDS可以减小初生硅相生长前沿的成分过冷,而导流器可以进一步促进液体的强迫对流,使熔体中温度场和浓度场更均匀,从而改善初生硅的尺寸、形貌及其分布。

CDS制备过共晶Al-Si合金工艺参数的研究

采用液-液混合受控扩散凝固技术(CDS)制备过共晶Al-20%Si(质量分数)合金,研究了混合后熔体保温处理、冷却速度对合金组织的影响。研究表明,熔体混合后未进行保温处理时,初生硅尺寸在60～100μm,且多为五瓣星状和不规则多边形;而进行保温之后,随着保温时间的延长,初生硅的尺寸逐渐减小;保温45 min后,初生硅尺寸在30～50μm,形貌比较圆整;而随着冷却速度的增加,目标合金组织中初生硅尺寸减小,由94.6μm减小到69.65μm,长宽比由1.78增加到4.33。

勘误

《上海金属》2020年第42卷第4期第72~77页刊登了吕勋等《受控扩散凝固结合复合变质对高硅铝合金组织和性能的影响》一文。因排版、编校疏失,文中图1和图3中的分图序和分图名的顺序均排错,误为“a)Al-30Si(Base);b)Base+P;c)Base+P+Sr;d)CDS;e)CDS+P;f)CDS+P+Sr”,均应更正为“a)Al-30Si(Base);d)CDS;b)Base+P;e)CDS+P;c)Base+P+Sr;f)CDS+P+Sr”。另表1中最后一个数据误为“-8.749”,应更正为“-48.749”。此错误与作者无关,在此向作者深深致歉!有关网站的电子版已及时进行替换。

混合方式及过热温度对过共晶Al-Si合金中初生Si的影响

采用受控扩散凝固技术(CDS)制备过共晶Al-18Si、Al-20Si、Al-22Si合金,研究了不同混合方式及Al-25Si合金在不同过热温度下对受控扩散凝固目标合金初生Si相的尺寸、形貌和分布的影响。结果表明,液-液混合对初生Si的改善效果较液-固混合好;随着过热温度增大,初生Si相尺寸减小,形貌逐渐变得圆整且分布均匀;相同过热温度下,随着合金Si含量的增加,初生Si相尺寸增大,形貌变化不明显。特别是在过热温度为900℃的Al-25Si合金与660℃的液态纯Al液-液混合得到Al-18Si合金中的初生Si相尺寸仅为34.3μm,长宽比为1.48。

液-固混合制备Al-18Si合金的组织及性能

采用受控扩散凝固技术(CDS)制备Al-18Si合金,研究了液-固混合方式下Al-25Si合金的温度对制备Al-18Si合金组织和性能的影响,探讨了合金的最终凝固组织与耐磨性能和热膨胀性能之间的关系。结果表明,在受控扩散凝固过程中,630℃固态纯Al与850℃液态Al-25Si合金混合所制备的Al-18Si合金中,初生Si相分布均匀,形貌规整,晶粒尺寸最小,耐磨性能最好。630℃固态纯Al和900℃液态Al-25Si合金混合制备的Al-18Si合金的线膨胀系数最小(15.51×10-6℃-1)。Al-18Si合金的耐磨性能主要取决于初生Si相的平均尺寸、形貌和分布。