Mater. Sci. Eng., A:钡改性对Al-7Si合金组织与性能的影响


【引言】

铝具有储量大、比强度高、良好的耐磨性和抗腐蚀性、优良的导电性以及价格适中等特点,是实现汽车和航空工业轻量化的关键材料。工业化应用的铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金,而铸造铝合金零件占铝合金的75%以上。Al-Si基合金作为最主要的铸造铝合金,由于其中Si具有低的密度和线膨胀系数,大的结晶潜热和低的收缩率,从而提高了Al-Si铸造合金的流动性,减小浇注过程中铸件的缩孔、缩松、变形和热裂等缺陷,改善了Al-Si合金的铸造性能,使其占所有铸造铝合金的80%以上。最常见的铸造铝合金含有5至12%(质量分数)的硅,并且合金中含有硬质脆性硅颗粒的共晶体积分数通常超过40%。影响共晶Si成核和生长的化学改性被认为是改善机械性能,特别是延展性的有效方式。钡(Ba)是碱土金属,据报道会引起Al-Si合金力学性能显著的改变。然而,关于Ba含量对Al-Si合金组织,特别是共晶Si,金属间化合物和孔隙率以及力学性能的影响的详细研究是有限的。

【成果简介】

近日,重庆大学郑江教授以及西南交通大学尹冬弟副教授(共同通讯作者)团队在Mater. Sci. Eng. A发表一篇题为“Modification of eutectic Si and the microstructure in an Al-7Si alloy with barium addition”的文章。该团队探讨了Ba含量对共晶Si,金属间化合物和孔隙率以及力学性能等微观结构特征的影响,并阐明Ba加入引起的改性机制。研究表明,在Al-7Si合金中加入0.15wt. pct(质量分数)Ba,将共晶Si的形态从粗片状改变为细纤维状,极大地提高了极限拉伸强度和伸长率。然而,Ba添加(≥0.15wt. pct)诱导形成粗大的块状含Ba相(即Al2Si2Ba相)和孔隙度增量,并且结果对延展性有不利影响。热分析表明,由于Ba3P2相的形成,Ba添加抑制了共晶Si的成核。在含Ba合金中观察到高密度的显著多重Si孪晶,为杂质诱导孪晶生长机制提供了实验支持。

【图文导读】

表1 所研究的合金的实际化学组成

Composition  Element (Weight Percent)
Si Ba Sr Al
Al-7Si 6.98 - - Balance
Al-7Si-0.05Ba 6.62 0.047 - Balance
Al-7Si-0.15Ba 6.79 0.158 - Balance
Al-7Si-0.5Ba 6.70 0.473 - Balance
Al-7Si-0.007 Sr 6.67 - 0.007 Balance

图1 添加与不添加Ba的Al-7Si合金的DSC曲线图


第一次放热对应于α-Al的凝固,第二次放热与共晶Si沿晶界的凝固有关。

表2 共晶成核温度(TN)——第二次放热的起始温度

Alloy Al-7Si Al-7Si-0.05Ba Al-7Si-0.15Ba Al-7Si-0.5Ba
TN (℃) 571.4 568.1 567.8 567.5

图2 Al-7Si合金基的光学显微镜图


a)和(b)未改性的;

c)和(d)0.05 pct Ba;

e)和(f)0.15 pct Ba;

g)和(h)0.50 pct Ba;

i)和(j)70 ppm Sr.

图3 Al-7Si-0.15Ba and Al-7Si-0.5Ba合金的SEM图


a)Al-7Si-0.15Ba的SEM图;

b)Al-7Si-0.15Ba合金的背散射电子(BSE)图像;

c)Al-7Si-0.5Ba的SEM图;

d)Al-7Si-0.5Ba合金的背散射电子(BSE)图像。

表3 对Al-7Si-0.15Ba和Al-7Si-0.5Ba合金中含Ba相的EDS点测量

Alloy  Points Al (at. pct)  Si(at. pct)  Ba(at. pct)
Al-7Si-0.15Ba A in Fig. 3(a) and (b)  64.6 23.82 11.58
Al-7Si-0.5Ba B in Fig. 3(c) and (d) 49.4 35.82 14.78

图4 Al-7Si-xBa合金的孔隙率(x = 0,0.05,0.15和0.5)


Ba含量从0.05pct增加到0.5pct时,孔隙率从0.04%上升到0.40%,枝晶间区域共晶晶粒的形核导致进料效率的降低,而共晶晶粒阻塞进料通道导致孔隙率增加。

图5 Al-7Si合金的Si颗粒的TEM明场图(入射电子束平行于<011> Si)


a)未改性的;

b)Al-7Si-0.15Ba.

图6 Al-7Si-xBa合金的拉伸性能(x = 0,0.05,0.15和0.5)


当Ba含量达到0.15pct时,Si颗粒被完全改性成纤维,从而改善延展性和UTS;添加量更多(0.5pct)时,Al2Si2Ba相的形成以及孔隙率的增加导致拉伸性能下降;Si颗粒的改性与孔隙度对YS影响较小。

图7 拉伸试验断裂后的Al-7Si-xBa合金的光学显微图(x = 0,0.05,0.15和0.5)


a)Al-7Si;

b)Al-7Si-0.05Ba;

c)Al-7Si-0.15Ba;

d)Al-7Si-0.5Ba.

图8 Al-7Si-xBa合金断裂表面的SEM图(x = 0,0.05,0.15和0.5)


a)Al-7Si;

b)Al-7Si-0.05Ba;

c)Al-7Si-0.15Ba;

d)Al-7Si-0.5Ba.

【小结】

本文研究了Al-7Si合金中Ba含量对共晶Si,金属间化合物和孔隙率以及力学性能等微观结构特征的影响。添加0.05%Ba时,Al-7Si合金中的共晶Si部分改性,而0.15%Ba添加量将共晶Si颗粒从粗片状改变成细纤维状,导致形成Al2Si2Ba相,以及较高的孔隙度。更多的Ba添加(即0.5pct)使得共晶Si更粗糙,并且Al2Si2Ba相的量和尺寸都增加。Ba的加入导致形成热力学稳定的Ba3P2相,并使AlP颗粒失活,成核位置(即AlP)的量减少,因此共晶成核温度(TN)降低。随着Ba含量上升到0.15pct,Si晶粒的改性降低了应力集中,是提高UTS和延性的主要机制,而YS没有明显变化。在含有较多Ba(0.5pct)的合金中,粗大的Al2Si2Ba相的形成和孔隙率的增加成为引起的应力集中的主要机制,对UTS和塑性有不利影响。粗大的Al2Si2Ba相的形成由于Si的消耗,降低了固溶强化效应,共晶Si颗粒强化效应也降低了YS。0.15%Ba添加促进了高密度多重Si孪晶的生长,为杂质诱导孪晶机制(IIT)IIT提供了实验支持。

文献链接:Modification of eutectic Si and the microstructure in an Al-7Si alloy with barium addition(Mater. Sci. Eng. A, 2018, DOI: 10.1016/j.msea.2018.05.010)

 
本文由材料人编辑部新人组李峰编辑,陈炳旭审核,点我加入材料人编辑部

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