Al-Si-Cu-Mg合金不同速率凝固的HRTEM表征

319系列是汽车工业中使用最广泛的铝合金之一。该合金硅含量为5.5 ~ 6.5，铜含量为3.0 ~ 4.0 (wt.%)。[1,2]．319合金的主要硬化成分是Al₂铜(θ)，而当加入镁时，由于镁的形成，时效过程特别适合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和毫克₂如果粒子欧洲杯猜球平台。319合金的铸造组织包括α-Al, Si共晶粒子，Mg欧洲杯猜球平台₂是的,θ，艾尔₅铜₂毫克₈如果₆(问)和其他金属间化合物[3]．Q相中Mg含量高，且不溶性强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晶粒尺寸减小，固溶范围扩大，偏析程度降低，在某些情况下形成亚稳态结晶和非晶相[5，6]，视凝固速率而定。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[7]由RSP仅用一个转速得到。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。除了分析第二相的形成，分析可能形成的纳米结构也很重要α-铝基体，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了Al-Si-Cu-Mg熔体纺丝合金微观结构表征的空白。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。以纯Cu(粉末，>纯度99.99%)和Mg(锭，>纯度99.95%)为原料，与中间合金一起制备三种不同Mg含量的合金。欧洲杯足球竞彩在感应炉中，在受控氩气气氛下，在石墨坩埚中进行铸造。然后，钢锭在石英管中重新熔化，并通过直径0.5毫米的孔喷射到表面抛光铜轮直径200毫米。实验是在He气氛下进行的，以避免熔体氧化。坩埚孔与砂轮之间的距离为7 mm。丝带是用铜轮的切向速度为30和45毫秒⁻¹．熔体纺丝生产的带状厚度在30-50 ~ 20-40之间μM，转速为30 ms和45 ms时⁻¹分别。这一结果与Hattel和Pryds[10]对钢带熔炼的结果一致。他们报告说，带状厚度与车轮速度呈指数关系。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融纺丝带进行了表征。采用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察其结构，主要是在表面α状态”。SEM和TEM分别采用20 kV的JEOL JSM 6400 Model扫描电子显微镜和200 kV的FEG-Philips Tecnai F20透射电子显微镜。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, 15秒，进行结构观察。采用Gatan 656压痕磨床进行压痕，然后采用Gatan 691精密离子抛光系统进行氩离子研磨，制备TEM试样。利用CuK在西门子400 x射线衍射仪上进行了XRD测量α30千伏和25毫安辐射。显微硬度测量是用Vickers金刚石压头在Leitz Wetzlar显微硬度计上进行的，载荷为25 g。进行统计分析，以获得重现性和准确性的结果。

结果与讨论

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5μm。在45 ms的时间内，结构更加精细⁻¹丝带比30毫秒⁻¹一个。在冷却表面，带状组织为树枝状等轴组织。30 ms的形态学变化⁻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。得到了无特征层。靠近自由表面时，固液界面的稳定性随冷却速率的降低而降低。同时，结构变粗。凝固速率与转速[10]成正比。对于我们工作中使用的旋转速度，凝固速率约为1.52 × 10⁷2.11 x 10⁷Ks^－1速度为30和45毫秒^－1分别。这些数据使用Matyja等人[11]推导的关系进行计算，对应于枝晶臂间距为0.27和0.20μm分别。

图1所示。OM(a)和sem -背散射电子显微照片(b)显示了30 ms时带状熔体纺丝的形貌⁻¹:(a)在横截面，(b)在冷却表面。

XRD谱图分别为30和45 ms⁻¹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。这意味着游离第二相的含量降低，而固溶体中合金元素的含量增加。Q相位峰值为30毫秒⁻¹在Mg含量为3.80和6.78%的合金中，有一个小峰对应于θ对Mg含量为0.59%的合金进行了观察。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。这说明，与色带冷却速度成正比的砂轮转速对自由第二相含量(θ和Q)。从剖面A到剖面C，峰α-Al稍微移动到较大的2θ值，表明更多的合金元素溶解在α过程的矩阵。

图2。旋转速度为30 ms时的XRD谱图⁻¹女士和45⁻¹(A) 0.59% Mg， (B) 3.80%Mg， (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。TMg含量为0.59%的合金在30 ms时的显微组织^－1是观察到的在F图3a，由α状态”矩阵和粒欧洲杯猜球平台子的直径约50-100纳米。分别由图4a所示的EDS分析可知，颗粒的组成为欧洲杯猜球平台艾尔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%的合金中直径欧洲杯猜球平台约为10-30 nm的小颗粒。对这些粒子的化学分析表明它们与欧洲杯猜球平台α-Al，如图4b和4c所示的EDS所示。纳米的形成α这些合金中欧洲杯猜球平台的-Al颗粒可以解释为由于合金元素的含量较高(通过对比图4b和4c中的EDS Mg峰可以观察到Mg含量较高)，改变了过饱和固溶体的含量。

图3。30 ms下合金的亮场电子显微照片^－1(a) 0.59% Mg， (b) 3.80% Mg， (c) 6.78% Mg^－1(d) 0.59% Mg， (d) 3.80% Mg和(e) 6.78% Mg。(艾尔₂铜和α过程粒子标欧洲杯猜球平台有箭头的)．

的存在fccα-具有近似欧洲杯猜球平台球形或椭球形形态的铝颗粒已由Inoue等人报道，[12]用于al - ni - ce - fe合金。在所有情况下，衍射图样都显示出的特征环α-Al，表明由于快速凝固过程，存在小尺寸晶粒。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，它们各自的环可能重叠。45毫秒^－1条带的微观结构发生了变化。的数量θ和α-Al颗粒欧洲杯猜球平台相对于30 ms减少^－1与图3a和3c相比，可以在图3d和3f中观察到。这一结果与x射线衍射(XRD)观测结果一致，第二相对应的峰的强度降低了。

图4。EDS分析显示化学成分:(a)铝₂mg含量欧洲杯猜球平台为0.59%的合金中存在Cu颗粒，(b)α-Al颗粒欧洲杯猜球平台存在于含3.80%Mg和(c)的合金中α-Al颗粒欧洲杯猜球平台存在于mg含量为6.78%的合金中．

纳米级的存在θ和Q颗粒的HR欧洲杯猜球平台TEM观察，与XRD分析结果一致。如图5a所示，小θ纳米晶体的直径约为2 nmαt的-Al矩阵he合金含0.59% Mg。结构分析θ告诉我们取向似乎是随机的，不同于Guinier-Preston区，中间化合物析出在时效硬化铝基体的优先晶体平面上。所得组织类型与Kim et al.[13]对其他al合金的报道相似。两个特征点的快速傅里叶变换(FFT)被索引到显微图中，显示与晶体相关的频率θ和α状态”。在图5b中，可以清楚地看到CAM03 (3.80% Mg)合金的几个晶域对应于Q。FFT揭示了与Q和晶体相关的频率α-Al，如图5b所示。该相的尺寸在2 ~ 5 nm范围内。这里的方向也是似乎是随机的。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显示存在:(a) fccαMg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如图6a和6b所示。对于Mg含量较低(0.59%)的合金，除θ用欧洲杯猜球平台常规透射电镜观察到的纳米颗粒，由fcc组成的纳米结构α-铝粒子周欧洲杯猜球平台围无定形αal可以被观察到。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-铝粒子周欧洲杯猜球平台围无定形α-Al也被观察到。被非晶态包围的纳米Q粒子欧洲杯猜球平台α-Al也被观察到，如图6b所示。这种非晶晶结构类似于Inoue[9]报道的短程无序和长程有序结构，是一种不同于非晶、准晶和结晶结构的新型非平衡结构。进一步得出结论，fccα与非晶相共存的-Al也是富含溶质元素的亚稳相。这种结构特征使我们可以推测，混合结构是由非晶相的初次凝固，然后是fcc的剩余液体的凝固而形成的α状态”,θ或问阶段。

图6。高分辨率图像及其各自的FFT显示存在:(a) fcc和非晶α-Al为0.59% Mg和(b) Q相非晶态合金α-Al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。毫克ydF4y2Ba当Mg含量从0.59增加到3.80%时，显微硬度增加。从3.80到6.78% Mg显微硬度保持不变。Mg含量高的合金显微硬度增加有两个重要因素:(1)纳米第二相含量高，(2)固溶体中Mg含量高。可以看到，带的显微硬度在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．随着转速的增加，出现了非晶态α-Al相是显微硬度值升高的主要原因。

表2：维氏显微硬度(VHN_200便士)的实验合金使用切向速度为30和45毫秒^－1．

结论

HRTEM分析30 ms^－1带状的形成证明了纳米结构的组成θ和α-Al对Mg含量为0.59 wt.%的条带有效，而Mg含量为3.80和6.78 wt.%的条带有效相应的纳米结构组成来问和α状态”。45毫秒^－1带状，无定形区域α过程被观察到。为Al-Si-Cu-Mg合金研究了,难道甚至不可能得到一个完美的固溶体吗熔体纺丝高速旋转时的技术。随着Mg含量的增加，形成了较高的Q和α-Al纳米颗粒，这欧洲杯猜球平台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，在较高的转速下，合金的显微硬度有所提高。

确认

作者要感谢F. Solorio, G. Lara和R.D. Cervantes提供的技术援助，也感谢CIC和CGEP (UMSNH) México提供的资金支持，以及Castech S.A. de C.V.提供的材料

参考文献

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