刁 龍，堅增運，朱 滿，常芳娥

（西安工業(yè)大學 陜西省光電功能材料與器件重點實驗室，西安710021）

當Si含量大于共晶點時，Al-Si合金凝固時首先析出的相為初生硅，因此過共晶Al-Si合金的性能與初生硅關(guān)系密切［1-2］．如何使初生硅變得細小進而提升鋁硅合金性能成為研究工作的重點［3-4］．合金凝固最重要的指標是過冷度，一般情況下，過冷度越大合金凝固時的形核率越大，晶粒的生長速度也越?。?-6］．熔體熱歷史會改變合金的固液界面能［7］、結(jié)晶潛熱［8］和擴散系數(shù)［9］等，從而對合金過冷度產(chǎn)生影響．文獻［10］通過研究鋁硅合金在不同過冷度下的形核生長規(guī)律得到，過冷度的增大會使粗大的板條狀初生硅變?yōu)榧毿〉念w粒狀．文獻［11］通過熔體加熱溫度和保溫時間對Al-11．6%Si合金顯微組織及性能的影響發(fā)現(xiàn)，將合金液溫度從720℃升到900℃，共晶硅由粗大的針片狀變?yōu)辄c狀或短棒狀、合金抗拉強度提高了6．33%、延伸率提高了10．83%．而且隨升溫后保溫時間的延長，合金的組織變細、抗拉強度和延伸率提高；隨降溫后保溫時間的延長，合金的組織變粗、抗拉強度和延伸率降低．由于半導(dǎo)體硅的特殊性，在不同過冷度下硅的生長形態(tài)也有所不同，文獻［12］通過對不同過冷度下純硅的形核與生長規(guī)律的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過冷度在100K時，硅的形貌由長片狀變?yōu)榈容S晶和鐘乳石狀的混合體；當過冷度達到210K時，硅的形貌又從等軸晶和鐘乳石狀的混合體變?yōu)橛泄饣蛊鸬溺娙槭癄睿畬θ垠w熱歷史影響Al-Si合金性能的研究較多，但都集中在對凝固后組織的分析，很少有對其凝固過程的研究報道，因此有必要進一步研究熔體熱歷史在Al-Si合金凝固過程中產(chǎn)生的影響．

本文以Al-80%Si合金為對象，通過電磁懸浮技術(shù)、高速攝影儀及掃描電子顯微鏡研究不同過熱溫度和保溫時間對Al-80%Si合金在凝固過程中初生硅的凝固行為和組織的變化規(guī)律，以期得到熔體熱歷史對Al-80%Si合金凝固特性的影響規(guī)律．

1 試驗材料與方法

1．1 試驗材料

為了清晰直觀地觀測到合金中初生硅的生長，確保凝固過程中首先析出初生硅，并且在凝固時伴隨大量的初生硅，本實驗選用硅含量為80%的鋁硅合金．實驗所用原材料為高純Al（99．999%）、高純Si（99．99%）．

1．2 試驗方法

在真空電弧熔煉爐中制備出Al-80%Si合金，之后將其制成約0．25g的試樣并用超聲波清洗干凈后備用．實驗時，將試樣放置在真空懸浮線圈中央的氮化硼坩堝上用機械泵和分子泵對真空室抽真空，當真空室的真空度抽至6．0×10-4Pa時關(guān)閉真空泵，然后通入保護氣體Ar；在真空室的壓力大于一個大氣壓后，用CO2激光器對試樣加熱并打開高頻電源使試樣懸浮，保溫一定時間后關(guān)閉CO2激光器使試樣開始凝固，冷卻速度可以通過調(diào)節(jié)氦氣流量進行控制．合金加熱熔化階段和冷卻凝固階段的溫度-時間（T-t）曲線采用MM2MH型Raytek紅外測溫儀記錄，利用高速攝影儀實時記錄凝固過程中初生硅的結(jié)晶形態(tài)．試樣凝固后的組織用FEI Quanta 400F型掃描電鏡（Scaning Electron Microscope，SEM）進行觀測．

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 過熱溫度對Al-80%Si合金凝固行為和組織的影響

2．1．1 過熱溫度對Al-80%Si合金凝固行為影響

在保溫時間為2min，過熱溫度分別為50K、100K、200K和300K的條件下試驗結(jié)果如圖1所示，圖1中t為凝固過程持續(xù)時間，深色為液相，白色為出生硅，初生硅從t＝0時刻形核并開始生長．圖1（a）是Al-80%Si合金懸浮試樣在過熱度為50K條件下，初生硅形核生長的動態(tài)觀測圖，從圖1（a）中可以看出合金凝固時先由一點開始形核最終生長成為粗大的帶有很多分枝的板條狀形貌，試驗測得在此條件下試樣的凝固過冷度為50K，整個凝固過程持續(xù)203ms；圖1（b）過熱度為100K，合金凝固時的過冷度為130K，圖1（b）中再輝界面依稀可見，形核點增長為多個，生長方式也有所不同，初生硅的形貌也由粗大的板條狀變?yōu)閴K狀，整個凝固過程減少到173ms；圖1（c）過熱度為200 K，此時，合金凝固過冷度為145K，再輝界面粗糙，初生硅尺寸變得更加細小，形貌為有短棒狀和顆粒狀共存且分枝數(shù)量減少，晶體數(shù)量明顯增多表明凝固時合金形核率有所增加，整個凝固過程只持續(xù)了27ms；當過熱溫度增加到300K時，合金凝固的過冷度增加到206K，如圖1（d）所示，試樣中再輝界面明顯，初生硅細小且分布均勻，凝固過程迅速．

圖1 Al-80%Si合金試樣在不同過熱溫度下凝固的表面形貌Fig．1 Surface morphologies of Al-80%Si samples with different super-heated temperature recorded by a high speed camera

從圖1分析得到熔體過熱溫度對合金凝固有明顯影響：隨過熱溫度的升高，合金凝固時所需過冷度也越大；由于過冷度的增大會增加合金凝固時的形核率，也會阻礙晶粒的生長，從而使初生硅的形貌由小過冷度下的粗大板條狀變?yōu)閴K狀、短棒狀和顆粒狀，尺寸明顯變細小且分布均勻，二次枝晶數(shù)量也明顯減小，結(jié)晶速度更加迅速．

2．1．2 過熱溫度對Al-80%Si合金凝固后組織影響

合金的凝固組織由形核率和晶體的生長速度兩個因素共同決定．形核率越大，則相同時間內(nèi)形成的晶核數(shù)越多，凝固后的組織越細；晶體生長的速度越慢，則熔體形核和因形核放出的結(jié)晶潛熱和所發(fā)生再輝的時間也就越快，從而使有效形核的時間增多，凝固后的組織就會越細，晶粒的尺寸就會越短．

圖2 Al-80%Si合金試樣在不同過熱溫度下凝固后表面的SEM圖像Fig．2 SEM images of surface of Al-80%Si samples after solidification with different super-heated temperature

對不同過熱溫度下Al-80%Si合金凝固后試樣表面形貌進行掃描電鏡分析結(jié)果如圖2所示．圖2（a）表示試樣過熱50K并保溫2min后Al-80%Si合金初生硅的形貌圖，從圖2（a）中可以看出初生硅細長且枝晶分布明顯，板條狀的初生硅伴有鮮明的棱角，屬于典型的小平面生長的特性．隨過熱溫度的增加，在保溫時間不變的情況下，試樣的過冷度增大，此時，如圖2（b）和2（c）中初生硅的形態(tài)變?yōu)榘鍡l狀與多面體形共存．繼續(xù)增加過熱溫度，從圖2（d）中可以看出有表面無棱角的初生硅生成．

2．2 保溫時間對Al-80%Si合金凝固行為和組織的影響

2．2．1 保溫時間對Al-80%Si合金凝固行為的影響

Al-80%Si合金熔點為1 573K，選取相同的過熱度50K．試驗時，將試樣升溫到1 623K，分別保溫2min、5min、10min和20min后降溫凝固，如圖3所示，初生硅從t＝0ms時開始形核．圖3（a）中保溫時間為2min，初生硅從一個形核點開始形核，形成粗大板條狀的初生硅，紅外探測儀探測到其過冷度為50K；圖3（b）保溫時間為5min，過冷度為132K，初生硅一點形核以塊狀向四周生長，初生硅形貌與50K過冷度下明顯不同，由于凝固過程中要釋放結(jié)晶潛熱，隱約可以看到再輝界面；圖3（c）保溫時間為10min，過冷度為148K，從圖3（c）中可觀察到合金凝固時的再輝界面，其再輝界面為粗糙的鋸齒狀，初生硅生長迅速且分布均勻，整個結(jié)晶過程只用了12ms．圖3（d）保溫時間為20min，與圖3（c）相似，只是初生硅的尺寸進一步減?。?/p>

由圖3分析得到由于保溫時間的不同，合金凝固時的過冷度也不盡相同．在過熱溫度相同的情況下，過冷度會隨著保溫時間的延長而增大；初生硅的形貌和生長方式也發(fā)生明顯變化，隨著保溫時間的延長和過冷度的增大，初生硅從星形的板條狀逐漸向塊兒狀和顆粒狀轉(zhuǎn)變，形核率越來越多，尺寸上也變的越來越細小，初生硅的分布也越來越均勻，生長方式也由小平面方式生長變?yōu)橹虚g方式生長．同時，試樣的再輝界面也越來越清楚層層推進，凝固過程更加迅速．

2．2．2 保溫時間對Al-80%Si合金凝固后組織的影響

對于不同保溫時間下Al-80%Si合金凝固后試樣表面形貌進行掃描電鏡分析結(jié)果如圖4所示．圖4（a）表示在自由凝固狀態(tài)下對試樣過熱50K并保溫兩分鐘后Al-80%Si合金初生硅的相貌圖，從圖4（a）中可以看出初生硅從中間形核點開始向四周以細長板條狀發(fā)射，板條狀的初生硅伴有鮮明的棱角，屬于典型的小平面生長的特性．隨保溫時間的增加，在過熱溫度不變的情況下，試樣的過冷度增大，此時，如圖4（b）、4（c）和4（d）所示，初生硅為表面有明顯棱角長片狀和塊狀，枝晶數(shù)量減少的同時晶粒數(shù)量增多且分布均勻，隨著過冷度的增大初生硅的尺寸也越來越?。?/p>

2．3 熱歷史對Al-80%Si合金凝固特性影響分析

通過對Al-80%Si合金懸浮試樣在不同的過熱溫度和保溫時間下自由凝固狀態(tài)中初生硅結(jié)晶過程進行動態(tài)觀測和凝固后采用掃描電子顯微鏡對組織的分析可以看出，初生硅的尺寸隨過熱溫度的升高和保溫時間的延長而減小，說明熔體熱歷史對Al-80%Si合金的凝固影響顯著，達到一定條件時甚至會改變初生硅的生長方式．

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是過熱溫度和保溫時間的增加會降低Al-80%Si合金液-固界面的穩(wěn)定性，增加形核率的同時又會阻礙晶粒的生長，從而細化晶粒，減弱粗大初生硅對基體的割裂作用，從而增加材料的力學性能．

圖3 Al-80%Si合金試樣在不同保溫時間下凝固的表面形貌Fig．3 Surface morphologies of Al-80%Si samples with different holding time recorded by a high speed camera

圖4 Al-80%Si合金試樣在不同保溫時間下凝固后表面的SEM圖像Fig．4 SEM images of surface of Al-80%Si samples after solidification with different holding time

3 結(jié) 論

1）合金凝固時的過冷度會隨著過熱溫度的升高和保溫時間的延長而相應(yīng)增大，因為過熱溫度和保溫時間的增加會降低合金液-固界面的穩(wěn)定性，增加形核率的同時又阻礙晶粒的生長，從而細化晶粒．

2）在2min保溫時間下，初生硅的尺寸隨過熱溫度的增加而減小，當過熱溫度超過100K時，初生硅的生長方式會由小平面方式生長轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g方式生長，初生硅的形貌也由粗大的板條狀依次變?yōu)閴K狀、短棒狀和顆粒狀．

3）在50K過熱溫度下，保溫時間的延長也會減小初生硅的尺寸，當保溫時間超過5min時，初生硅形態(tài)由粗大的長條多面體變?yōu)榫鶆蚣毿〉牡容S多面體．

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