钠盐对铝硅合金的变质_徐建辉

1999年12月 南昌航空工业学院学报December　1999第13卷第4期 Jo ur nal o f N anchang Institute of A er onautical T echnolog y V o1.13　N o.4

钠盐对铝硅合金的变质

徐建辉,张学群,邓克明,方立高

(南昌航空工业学院　材料工程系,江西南昌330034)

摘要:采用高纯铝和硅(>99.99%w t)配制Al-10%Si二元合金,经三元钠盐变质,研究合金中共晶硅相。结

果表明:铝硅合金共晶凝固时,硅相滞后于铝相结晶。进行钠盐变质处理后,共晶凝固时硅相滞后更加明显,

并使之由片状转变为纤维状。钠盐变质后的共晶硅中有较多的孪晶,孪晶轴为(111)Si;孪晶方向为(211)Si,共

晶两相的位向关系符合〔100〕Al∥〔110〕Si。钠盐变质后的共晶硅以孪晶沟槽(T PRE)长大机制进行分枝、细化

和弯曲,从而证明孪晶沟槽长大机制是产生变质结构的重要途径。

关键词:变质处理;铝硅合金;结晶组织;钠盐;共晶硅。

中图分类号:TG290

前言

铝硅二元合金经纳盐变质、锶变质、锑变质及混合稀土变质后的共晶硅形态与未变质前有很大差异〔1、2〕。对锶盐变质和未变质两种情况下的共晶硅形态差异及孪晶沟槽(T PRE)长大机制,Msham suzon和A.M.Hag an在电子显微分析的基础上作了大量工作〔3-5〕,Hallew all 等〔6-9〕对未变质合金中的共晶硅的生长面、结晶过程及机制进行了研究和计算,表明未变质处理时共晶硅内生成孪晶的机率很小,孪晶密度极低。变质元素的加入,易于诱发孪晶。但对共晶凝固时相领先问题未给予重视,更未见实验证明。同时,对钠盐变质的许多细节问题也有待进一步探讨。

1　实验方法

采用高纯铝和硅(>99.99%),在井式电阻炉中用石墨坩埚配制Al-10%Si二元合金,并经三元钠盐(62.5%NaCl+12.5%KCl+25%NaF)进行变质处理,分别浇注512m m杆状金属型冷却试样(冷却速度为182℃/min)和56m m长杆砂型试样(预制定向凝固试样)。用定向凝固装置对长杆试样重熔后,中间局部加热,两端同时凝固,使之在中部产生气孔或缩孔,在用X射线透视观察其所在部位后,尽可能切除该部位多余金属,拉伸使之在该部位基本不产生变形的前提下断裂,并迅速将此两段试样放入分析纯丙酮中保护起来。再用复型方法对气

收稿日期:1999-12-01 第一作者:徐建辉,男,1958年生,工学博士。

孔或缩孔处形貌复型,在透射电子显微镜下观察其复型形貌,得到合金凝固前沿共晶硅相与铝相之间的关系。对金属型冷却试样采用20%HCl 深腐蚀后扫描电子显微镜(EPM -810Q 型)

观察其SEM 形貌〔8〕。制取薄膜试样〔4〕在透射电子显微镜下进行电子显微分析。萃取出合金中

的单束共晶硅置于铜网支撑的碳膜上,采用H -800型透射电子显微镜观察其形貌。

2　实验结果及分析

图1是变质处理的铝硅合金金相试样经电解抛光后的透射电镜复型像。由于在电解抛光时,铝相的腐蚀速度远大于硅相的腐蚀速度,表现为硅相相对于铝基体为凸起相。图2是钠盐变质铝硅合金凝固前沿的透射电镜复型像,此时结晶的硅由于变质剂的作用而成纤维状。与图1对照可以发现,此时的硅晶体相对于铝基体来说是凹陷的,说明硅相的生长滞后于铝相的生长,而对片状生长的硅来说,同样也是凹陷,如图3。这种硅相滞后于铝相生长,从铝相与硅相的生长机制不同来看,铝相是非小平面型生长晶体,硅相为小平面型生长晶体。小平面型生长晶体的动态过冷远大于非小平面型生长晶体,可能是硅相滞后于铝相生长的原因。同时,从图3与图2的比较可以很明显地看出,变质后的纤维状共晶硅凹陷的程度大于片状硅。这与硅晶体结晶过程中受变质剂元素作用有关。钠在铝相和硅相中的固溶度都很小,当共晶凝固时,钠原子必然在固液界面富集,阻碍晶体的生长,由于硅相生长相对滞后,钠原子更易于在其前端聚集吸附,变质作用越强,硅相受阻就越强,

硅片也就更易形成纤维状。

图1　变质处理铝硅合金金相显微 图2　钠盐变质处理合金凝固界面纤维

组织复型T EM 形貌15000× 状共晶硅复型T EM 形貌21000× 对于滞后生长的硅相,它的形态及生长机制受到许多因素的影响。图4是深腐蚀试样的扫描电子显微照片,表明共晶硅结晶时,硅晶体在一个区域内的硅枝是趋于一个方向排列的,这种硅枝表现为纤维状。而箭头所指的硅晶体大角度分枝,两硅枝间夹角约70.5度,这与TPRE 长大机制是相吻合的。变质处理后的铝硅合金中共晶硅结晶时会有许多孪晶存在。当一枝共

晶硅中有许多个孪晶存在时,硅以TPRE 长大机制进行生长将是一个非常重要的途径〔5、7〕,图

5是一钠盐变质处理后铝硅合金薄膜试样透射电子显微形貌,表明此时钠盐变质作用完全,硅晶体形成了密集分枝的纤维状。而这种形态的形成与钠元素对硅晶体的生长阻碍作用和硅晶第4期 徐建辉　等:钠盐对铝硅合金的变质 37

体内部的孪晶是密切联系的。图6是钠盐变质合金薄膜透射电子观察情况,合金中有许多孪晶迹线存在。这些迹线表现为同一方向,对其衍射斑点分析表明:电子束入射方向是〔100〕Al ,且〔110〕Si ∥〔110〕Si,B ,而形貌象的迹线方向与〔112〕Si,A 和〔112〕Si,B 是平行的。形貌中的迹线为孪晶,孪晶轴为〔111〕Si,A 和〔111〕Si,B ,

而且此时只有一个方向的孪晶存在。

图3　共晶凝固前沿片状共晶 图4　合金深腐蚀处理后SEM 形貌2000× 硅复型T EM 形貌15000

×

图5　钠盐变质合金薄膜试样T EM 形貌2000×

显微成份分析表明图7所示为单一的硅晶体。而其形貌则为密集分枝的根瘤状。对其分枝角度观察,类似于箭头所指处的大角度分枝是比较多的。由以上结果可以看出钠盐变质铝硅合金中的共晶硅以孪晶沟槽机制生长是非常重要的途径。而硅晶体以此机制进行生长的模型,资料〔5〕已作了细致的描述。

3　结论(1)　铝硅二元合金凝固时,硅相滞后于铝相生长,钠盐变质的铝硅合金中的纤维状共晶

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