具有初生硅相的亚共晶铝硅合金的微观组织

施忠良　范同祥　顾明元　张　荻　吴人洁

(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200030)

无论是亚共晶或共晶铝硅合金中针状共晶硅还是过共晶铝硅合金中的粗大块状初生硅都严重割裂了基体，降低了铝硅合金的强韧性。为此，铝硅合金通常要变质处理来改善硅相的形态，使过共晶铝硅合金中的初生硅相和共晶硅相或共晶与亚共晶铝硅合金中的共晶硅相细化成粒状或短棒状[123]。对于工业上广泛应用的亚共晶铝硅合金，若能相对减少共晶硅相的数量，形成一部分规则粒状初生Si相取而代之，无疑将有利于材质的强韧性。为此本文采用过共晶铝硅合金与铝或亚共晶铝硅合金熔体流变混熔复合工艺结合P-Cu变质处理制得具有初生硅相的亚共晶Al-Si合金，采用透射电镜(TEM)分析Si相的亚结构、形核与生长及界面特征。

通过流变混熔复合工艺制得的亚共晶成分Al28wt.%的组织观察发现初生硅相形成且初晶Si相呈规则多角状，尺寸细小，共晶硅多位于A相的晶界处，或者围绕初晶硅呈放射状结构。无论是初生硅还是共晶硅相中均有大量的面缺陷，主要以层错、孪晶为主。

图1是初生硅相破裂后，熔体从裂痕处浸入，随温度降低被包入硅相内的特征。其形态是圆岛状结构。被包入的熔体随之凝固，最后在硅相内部形成共晶结构，其中硅相依附于初生硅相长大，能谱分析结果证明了这一点。

图2和图3a可看出硅相一侧有较大尺寸的析出物。图3b为能谱EDS分析结果，表明析出产物含Cu、Al较高，且其组成基本满足CuAl₂相的组成。证明该物质为CuAl₂，这类析出物CuAl₂产生于凝固过程。由于不平衡凝固，Cu被排到液固界面的最前沿，同时初生Si在凝固过程中也被推到界面的最前沿。当满足成份和温度条件时CuAl₂相形成并依附于Si相生长。第二类析出产物为细小的蝶盘状析出和椭圆状析出，如图4所示。蝶盘状和椭圆状析出为CuAl₂(H′)结构，这两种结构均是由时效引起。材料从制备到TEM观察，在室温下放置了较长时间。离子减薄过程中，氩离子束的轰击下试样表面的温度都足以导致材料的时效析出。CuAl₂(H′)以椭圆状和蝶盘状从过饱和α-Al中析出与基体呈局部共格关系。

在硅相界面附近观察发现:部分界面处有块状析出产物，能谱分析为CuAl₂，如图1所示。另外，在Si相界面α-Al的一侧观察到大量的位错。原因是由于材质从高温冷却时，两者的热膨胀系数存在较大差异从而在基体中造成很大的热应力，图5所示。

综上所述得出如下结论：

通过流变混溶工艺在亚共晶铝合金中能够形成细小的多角状初生硅相，共晶硅为长条状，位于α-Al的晶界处或以初生硅为核心呈放射状分布。初生、共晶硅相的精细结构中有大量的缺陷(以孪晶、层错等面缺陷为主)。

初生、共晶硅中都发现有岛状组织，原因是初生硅相受剪切破碎和溶解使得熔体沿裂痕进入形成的。另外存在两种形态的析出相CuAl₂：一种是凝固时形成的短棒状CuAl₂，另一种是时效析出细小的椭圆状或碟盘状CuAl₂相。

图1　硅相破裂后熔体被包入的形态   　　　　图2　硅相端部CuA l2 的形态

图3　硅相端部CuA l2 的形态及其能谱分析

               图4　蝶盘状和随圆状析出相形态图　　　  图5　硅相界面无析出相的光滑界面结构