简介概要

快速凝固Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯的显微组织与力学性能

来源期刊:中国有色金属学报2006年第11期

论文作者:肖于德 钟掘 黎文献 马正青

文章页码:1869 - 1875

关键词:Al-Fe-V-Si合金; 耐热铝合金; 喷射沉积; 快速凝固

Key words:Al-Fe-V-Si alloy; heat-resistant aluminum alloy; spray deposition; rapid solidification

摘    要:用喷射沉积法制备快凝Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金沉积坯, 通过金相、 X射线衍射、 透射电镜、 扫描电镜、 拉伸力学性能测试等分析手段研究快凝Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯的显微组织与力学性能。 结果表明, 喷射沉积Al-Fe-V-Si合金坯是由形状大小不同的雾化液滴沉积凝固微区(粉末)构成, 也存在大量的孔隙和原始粉末界面。 沉积坯主要由α(Al)+Al12(Fe, V)3Si(bcc,a≈1.260 nm)的两相混合组织构成, 细小的Al12(Fe, V)3Si球形颗粒均匀分布在α(Al)基体上, 但不同粉末内部组织形态存在差异, 使沉积坯表现出组织微观不均匀性。 喷射沉积坯的力学性能与坯体致密度存在强烈的依赖关系, 大量孔隙和原始粉末界面的存在使得坯体强度和塑性都处于较低的水平。

Abstract: Spray deposition was applied to produce deposited billets of rapidly solidified Al-8.7Fe-1.3V-1.8Si aluminum alloy in the atomization medium of nitrogen gas. Microstructural features and mechanical properties of the spray deposited billets were studied by means of optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) with energy dispersive X-ray (EDX) spectrometer and measurement of tensile properties. The results show that, the spray deposited billets of Al-Fe-V-Si alloy consist of platelets (powder particles) with various size and shape, deposited and solidified from the atomized liquid droplets, and a large amount of irregular porosity (or pinhole) and prior particle boundaries also exist in the as-solidified deposit. The spray deposited billets consist of two phases mixture of α(Al) and Al12(Fe, V)3Si (bcc, a≈1.260 nm), which is characterized generally as the fine Al12(Fe, V)3Si particles dispersed uniformly in the α(Al) matrix. However, the various powder particles have different microstructural morphologies and thus the spray deposited billets exhibit structural inhomogeneity on the micro scale. The mechanical properties of the spray deposited materials are mightily dependent on relative compacted density of the billets, and the large amount of irregular porosity (or pinhole) and prior particle boundaries result in that the tensile strength and elongation of the billets are at the low level.

基金信息:中国博士后科学基金资助项目



详情信息展示

快速凝固Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯的显微组织与力学性能

肖于德1, 2, 钟 掘2, 黎文献1, 马正青1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083;

2. 中南大学 机电工程学院, 长沙 410083)

摘 要: 用喷射沉积法制备快凝Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金沉积坯, 通过金相、 X射线衍射、 透射电镜、 扫描电镜、 拉伸力学性能测试等分析手段研究快凝Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯的显微组织与力学性能。 结果表明, 喷射沉积Al-Fe-V-Si合金坯是由形状大小不同的雾化液滴沉积凝固微区(粉末)构成, 也存在大量的孔隙和原始粉末界面。 沉积坯主要由α(Al)+Al12(Fe, V)3Si(bcc, a≈1.260nm)的两相混合组织构成, 细小的Al12(Fe, V)3Si球形颗粒均匀分布在α(Al)基体上, 但不同粉末内部组织形态存在差异, 使沉积坯表现出组织微观不均匀性。 喷射沉积坯的力学性能与坯体致密度存在强烈的依赖关系, 大量孔隙和原始粉末界面的存在使得坯体强度和塑性都处于较低的水平。

关键词: Al-Fe-V-Si合金; 耐热铝合金; 喷射沉积; 快速凝固 中图分类号: TG146.2

文献标识码: A

Microstructural features and mechanical properties of spray deposited billets of rapidly solidified Al-Fe-V-Si aluminum alloy

XIAO Yu-de1, 2, ZHONG Jue2, LI Wen-xian1, MA Zheng-qing1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University,Changsha 410083, China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract: Spray deposition was applied to produce deposited billets of rapidly solidified Al-8.7Fe-1.3V-1.8Si aluminum alloy in the atomization medium of nitrogen gas. Microstructural features and mechanical properties of the spray deposited billets were studied by means of optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) with energy dispersive X-ray (EDX) spectrometer and measurement of tensile properties. The results show that, the spray deposited billets of Al-Fe-V-Si alloy consist of platelets (powder particles) with various size and shape, deposited and solidified from the atomized liquid droplets, and a large amount of irregular porosity (or pinhole) and prior particle boundaries also exist in the as-solidified deposit. The spray deposited billets consist of two phases mixture of α(Al) and Al12(Fe, V)3Si (bcc, a≈1.260nm), which is characterized generally as the fine Al12(Fe, V)3Si particles dispersed uniformly in the α(Al) matrix. However, the various powder particles have different microstructural morphologies and thus the spray deposited billets exhibit structural inhomogeneity on the micro scale. The mechanical properties of the spray deposited materials are mightily dependent on relative compacted density of the billets, and the large amount of irregular porosity (or pinhole) and prior particle boundaries result in that the tensile strength and elongation of the billets are at the low level.

Key words: Al-Fe-V-Si alloy; heat-resistant aluminum alloy; spray deposition; rapid solidification

   快速凝固Al-Fe-V-Si合金是由美国Allied-Signal铝业公司采用平面流铸造法研究开发的, 是目前研制最为成熟的高性能耐热铝合金, 其中FVS0611、 FVS0812和FVS1212合金, 已应用于航空航天领域, 可满足先进航天航空飞行器对高比强、 高比刚、 耐高温轻质结构材料提出的需求[1-4]

快速凝固耐热铝合金坯料一直以来多采用平面流铸造法和雾化制粉结合粉末冶金工艺来制取, 然而, 采用粉末冶金方法生产大规格整体构件, 生产工艺复杂, 生产成本高。 喷射沉积作为一种集快速凝固、 半固态加工和近终形加工于一体的新型材料制备技术, 与铸造冶金和粉末冶金相比, 具有如下优越性: 1) 沉积坯成分均匀, 成分偏析小, 基本消除了宏观偏析; 2) 组织均匀细小, 晶粒多呈均匀细小等轴状, 初生沉淀相细小, 且分布均匀; 3) 致密度高, 氧含量低, 污染小; 4) 工艺简化, 设备投资小, 生产费用与能耗低, 生产周期短。 近年来, 喷射沉积工艺也被用来制备这种高合金化的快速凝固耐热铝合金[5-8]

传统上, 人们多认为喷射沉积是介于粉末冶金和铸锭冶金工艺之间的近净成形制坯工艺, 其平均冷却速度通常小于快速凝固雾化粉末(筛分后的细粉)和平面流铸造薄带的冷却速度。 另外, 喷射沉积过程中, 雾化熔滴粒度分布宽, 沉积表面状态复杂, 这将导致沉积坯微区凝固行为存在差异, 而出现不同的组织形态。 显然, 沉积坯中第二相的单一化、 组织的微细化和均匀化不象粉末(片、 丝、 带)制坯的那样容易控制。 因此, 有必要系统研究快速凝固耐热铝合金喷射沉积坯的显微组织与力学性能特征。 本文作者以快速凝固Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯为对象, 着重研究了沉积坯中孔隙、 原始颗粒界面等沉积缺陷特征和沉积坯的相组成、 显微组织、 力学性能以及其断裂行为。

1 实验

快速凝固Al-Fe-V-Si合金喷射沉积坯采用中南大学非平衡材料研究所自制的喷射沉积设备制取。 喷射沉积管坯制备原理如图1所示, 管坯形状和大小由①坩埚/雾化器的反复式平移、 ②沉积基底的转动和③下降等3个运动参量来控制[9], 沉积旋转轴空心通水, 降低沉积温度而提高冷却速率。 制备名义成分为Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(质量分数, %)的沉积管坯若干。 管坯内径约140mm, 外径为160~300mm, 长约500mm。

图1   喷射沉积Al-Fe-V-Si合金管坯制备原理图

Fig.1   Schematic diagram of preparation of spray deposited tube blank of Al-Fe-V-Si aluminum alloy

在POLTAR-MET立式金相显微镜下观察金相显微组织, 抛光样品采用Keller试剂(0.5mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95.5mL H2O)浸蚀。 X射线衍射物相分析在SIEMENS D500全自动X射线衍射仪上进行, 采用CuKα辐射, λ=0.154056nm, 电压40kV, 电流35mA, 扫描步长0.04, 扫描宽度20°~100°。 微观结构细节和相结构在配有能谱分析仪的H800透射电镜上观察、 分析, 透射薄膜样品采用电解双喷制取, 电解液选用硝酸甲醇(3∶1)混合液, 电压-40V, 液氮冷却。

在喷射沉积坯上截取样品, 线切割加工拉伸力学试样。 采用排水法测定试样密度, 并对比挤压致密化试样, 求得其相对密度, 并进行室温(25℃)拉伸力学性能测试, 力学拉伸试验在WD-10万能力学实验机上进行, 拉伸速率0.2mm/min。 拉伸断口在KYKY AMRAY 2800B型扫描电镜上观察分析。

2 结果与分析

2.1 孔隙

在喷射沉积Al-Fe-V-Si合金坯中存在着大小不一的孔隙和空洞, 形状有不规则的, 也有近球形的, 如图2所示。 在喷射沉积过程中, 雾化熔滴高速飞行, 撞向沉积基底, 达到沉积坯表面时, 熔滴可能为液态、 半固态或固态, 液滴撞击沉积面, 侧流、 平铺、 展开, 填充空隙或凹坑, 或凝固成微细薄片, 或形成液态沉积薄层; 固态颗粒或粘结在铺展的液相中, 或镶嵌于凹坑中, 或被接踵而来的液滴捕获并覆盖; 半固态颗粒或破碎, 或变形, 或以完整颗粒沉积在液态薄层中。 如此反复地堆积, 凝固, 实现沉积面相对于基底增长。 在这个过程中不可避免地会出现固相颗粒堆积, 片状沉积物搭桥, 形成空隙或凹坑。 有的空隙或凹坑液相无法填充, 最终形成形状大小各异的孔隙。 此外, 液态熔滴和沉积薄层冷却凝固收缩, 也会伴生多呈近球形的热缩孔。

图2   喷射沉积Al-Fe-V-Si合金坯中不同位置处的孔隙形态与分布(试样抛光后未浸蚀)

有色金属在线官网  |   会议  |   在线投稿  |   购买纸书  |   科技图书馆

中南大学出版社 主办 版权声明   电话:0731-88830515 88830516   传真:0731-88710482   Email:administrator@cnnmol.com

互联网出版许可证:新出网证(湘)字005号   湘ICP备09001153号