Al-7Si合金在热处理过程中的显微结构演变
铝硅合金以其良好的力学性能和优良的铸造性能被广泛应用于汽车,航空及其他制造行业。为提高铝硅合金的力学性能,人们通常对合金进行固溶和时效处理。铝硅二元合金在进行固溶处理过程中,呈树枝状分布的硅颗粒的形状、尺寸和分布会发生很大程度的变化[1]。同时,过剩的硅原子会在固溶过程中溶入铝基体并在淬火处理后形成过饱和固溶体[1]。在时效过程中,溶入铝基体的硅原子会在铝基体中聚集,形核并生长成硅的沉淀相[2]。另外,Liu等[2]观察到时效过程中硅颗粒边界处有硅的纳米孪晶生成。铝硅合金的性能主要由以上显微结构决定,而显微结构的演变又与添加的合金元素硅在不同热处理状态下的扩散和析出有关。因此,探究铝硅合金中硅元素在热处理状态下扩散和析出行为造成的显微结构特征变化,不仅可以深化人们对其演变机制的认识,还有利于优化热处理工艺参数。本文对经固溶和时效处理的样品进行电子显微学研究,观察热处理过程中硅颗粒、硅析出相及硅颗粒边界处的显微结构演变特征,为揭示硅元素在热处理过程中的扩散和析出机制提供理论依据。
1 实验
实验材料为真空熔炼的Al-6. 86wt.%Si(其他杂质含量<0.1%)铸件。
将铸件线切割取得15mm×15mm×1mm的块样进行热处理。试样在空气循环炉中在530℃温度下进行0.5~40h固溶处理。其中经过530℃ 温度下10h固溶处理的样品水淬后直接放入180℃的油浴炉中时效5min~10h。取样进行扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察,SEM观察和能谱分析在FEI Quanta200型环境扫描电镜和EDAX genesis xm-2型能谱仪(EDS)上进行。TEM观察在JEOL JEM-3010型透射电镜上进行,工作电压为300kV。TEM样品先机械减薄至70~80μm,然后在-35℃以下电解双喷。
2 结果与讨论
2.1 硅在α-Al基体中扩散和析出
Al-7Si合金在凝固过程中,由于过量 Si 的存在,硅优先于晶界处形核,在达到共晶温度后,形成Al-Si的等轴枝晶[3]。图1a中显示的是铸造态样品中晶界处硅颗粒的形貌及分布情况。其中硅颗粒多呈沿晶界方向的长条状,且排列杂乱而紧密,颗粒大小不均。图1(b~e)显示530℃温度下不同固溶时间处理后的硅颗粒的形貌及分布情况。在530℃固溶4h后,硅颗粒的表面变得比铸造态平滑。在530℃下经过20h的固溶处理,晶界处绝大部分硅颗粒已经变为球形或椭球形,见图1d。由此确认在同一固溶温度下,随着固溶时间的延长,晶界处粗大的硅颗粒逐渐减小且形状趋于平滑的椭球状或球状,晶粒逐渐转变为无枝晶的等轴晶粒[3,4]。
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