铸态亚共晶Al-Si合金中初生Si的生长机制
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铸态亚共晶Al-Si合金中初生Si的生长机制
摘要：采用光学显微镜和背散色衍射仪对亚共晶铝硅合金进行观察。
结果显示初生硅颗粒出现在亚共晶合金中。
因此，也研究了熔融的亚共晶铝硅合金中先析出的初生硅的形核和生长机制。
观察发现Si原子很容易分离形成Si-Si簇，它源于初生硅的形成，在共晶和过共晶Al-Si合金中同样存在。
此外，由化学势和溶质的原子堆积或显微偏析在初生Si 的形成中，起到重要的作用，溶质再分配的方程式源于Jakson-Chalmers等式。
一旦Si的溶质浓度超过共晶成分，初晶硅就在液固界面形成了。
1.介绍
铝硅合金由于其低的热膨胀系数、高的耐磨性和较好的铸造性能，广泛的应用于航天和汽车的结构中。
根据铝硅合金中硅的成分，可分为亚共晶、共晶、过共晶合金。
每一类相应的硅成分为少于百分之十，11%～13，和大于14%。
根据Al-Si合金的二元相图，共晶反应发生在共晶温度。
两种固相（共晶Si和α-Al）在Si含量为12.6%的共晶成分点，发生L Si E+α(Al) ，同时从液相析出。
过共晶Al-Si合金首先析出初生硅，然后再发生共晶反应。
过共晶反应通常伴随相的转变L L+Si p （Si E+α(Al)）+Si p 。
其中Si p是初生硅。
根据Al-Si合金的二元相图，初生硅颗粒只从过共晶Al-Si合金中析出。
很多的初生硅颗粒，然而是在过共晶合金中观察到。
其一系列的相反应源于亚共晶铝硅合金L
L+Si p L+（Si E+α(Al)）（Si E+α(Al)）+α(Al) +Si p 。
初生硅平面面特征边缘锋利、较厚。
初生硅尺寸不同，形貌趋向于晶面﹛111﹜。
尽管许多的文献采用晶体生长理论来分析和预测初生硅，但是很少获得亚共晶Al-Si合金的形核和生长特征。
现在的研究讨论了初生硅在亚共晶合金中产生的原因。
同时也提出了初生硅的形核和生长机制。
2.实验
快速凝固的实验如下：首先，铝硅合金锭放在感应炉中熔化；炉的温度设置在715℃，保持这个温度2分钟，使合金均匀熔化。
然后，将熔融金属冷却到浇注温度，接着快速冷却到室温。
通压缩气流或喷射雾化水来达到高的冷却速度。
凝固温度和冷却时间如图1所示。
20、40、60、80mm的四种样品，分别在3.8、6.6、9.8、16.1℃/s的冷速下的曲线。
用于实验的合金成分是Al-10%Si。
为了消除杂质的影响，熔融合金需要精炼。
为了显微观察样品需要镶样抛光。
光学显微结构的观察要在机械抛光后进行。
初生硅的显微结构特征用背散射电子显微镜（EBSD）观察。
EBSD样品要进行机械和电子抛光。
电解抛光在乙醇和高氯酸以6:1混合的溶液中、电压20V，处理20s。
EBSD的数据用JEOL JSM-7001F 获得。
FE-SEM在20KV的真空下，样品倾斜70°。
为了观察初生硅的二维组织，样品用40%的HCLO4的稀释溶液处理。
二维显微组织使用装备有能谱仪的SEM观察。
为了三维的观察，样品要在同样的溶液中深度处理。
3.结论
由图2所示很多的初生硅颗粒出现在亚共晶铝硅合金中。
图2显示随冷速的增加，初生硅的尺寸和数量都有所减少。
当平均冷速有3.8增加到16.1时，初生硅的等轴晶尺
寸由大约88.9减到17.1μm。
此外，初生硅的分布是不均匀的，不管冷速高低。
由SEM观察的亚共晶Al-10%Si的显微组织如图3所示。
所有的α（Al），Si p和Si E都在图3中。
特别的是EDS能谱图确定了Si E 和Si p 都存在于亚共晶铝硅合金中图3（b）。
三维显微组织图在图3（c）和(d)中。
初生硅被α(Al）树枝晶和共晶相包围。
用超声波清洗泡在乙醇的合金，能使初生硅和共生硅分离。
由于α(Al）的溶解，初生硅部分或全部从铝基体结晶出，并且没有表面和边缘的损坏，图3(c)和(d)显示了完整的和不完整的组织。
在过共晶合金中，初生硅的生长机制是螺型位错生和双平面凹陷生长。
亚共晶合金中初生硅的生长机制与过共晶中的相似。
可以在表面和切面看到清晰的凹槽，它们看起来石阶型的生长，趋向于凹槽和边缘。
在晶体表面稳定的凹槽可以促进初生硅在特殊方向快速生长。
初生硅颗粒在图4中显示基于TPRE生长机制的分瓣状生长特征。
初生硅包括5中不同颜色表示的连续双晶。
这种连接在一起的晶面有双胞胎似的联系，60°〈111〉。
同样发现两平行晶面产生了永存的凹槽，形核发生在那里。
硅四面体沿着晶面﹛111﹜，晶向〈112〉生长。
4.讨论
初生硅在亚共晶铝硅合金中发现。
对亚共晶铝硅合金中初生硅的形核和生长的调查提供了一些原因。
根据Al-Si 合金的凝固特征，硅原子很容易从硅原子簇中脱离，有很大的趋势在液固界面前端形核生长。
一些研究者猜测在铝硅合金中存
在硅簇和硅四面体，这种液态结构有助于初生硅的形成和生长。
5.总结
1）根据亚共晶铝硅合金显微观察，初生硅颗粒经常出现在合金中。
随着冷却速度的增加，在亚共晶铝硅合金中等轴晶的大小和数量都有减少；此外，初生硅结构为八面体。
2）亚共晶铝硅合金中初生硅的生长机制看着是双平面凹陷生长机制。
借于共晶的生长，初生硅的是一种随机的生长模式。
3）溶质再分配在初生硅的形成中有重要的作用，并且有四种不同的溶质再分配机制。
一旦在液固界面Si的溶质浓度超过共晶成分点，初晶硅就在亚共晶铝硅合金的凝固过程中析出。
