D0I:10.13374/j.issm1001053x.2001.03.033 第23卷第3期 北京科技大学学报 Vol23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 喷射沉积A-Si-Fe-MnCu-Mg合金的 析出强化行为 王锋”杨滨”崔华) 段先进)熊柏青” 张济山) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京有色金属研究总院复合材料中心，北京100088 摘要利用热分析(DSC)、显微硬度测定和透射电子显微分析等手段研究了喷射沉积 A-20Si-5Fe-3Mm-3Cu-1Mg合金的时效过程.结果表明，两种沉淀强化相S-Al,CuMg和g- Al,CuMg从合金基体中析出，它们有效地提高了合金的室温强度和高温(300℃)强度. 关键词喷射沉积；时效处理；沉淀强化；A1-Si合金 分类号TG146.2,TG166 A1-Si系中的高硅铝合金由于具有高的弹 挤压后合金在470℃固溶处理1.5h后淬水，时 性模量、低的热膨胀系数和良好的耐磨性而得 效温度为135℃.DSC试验在Dupont2100型热 到广泛的应用.为了改善它的组织和性能，常常 分析仪上进行，加热速度为10℃min;合金硬度 加人合金元素Cu,Mg,Fe,Ni,Mn等，其中Cu, 在71型显微硬度仪上测定，载荷为50g,保压时 Mg的主要作用是通过析出强化提高合金的室 间为10s;TEM,HREM分析分别使用H-800和 温强度，而加人Fe,Ni,Mn是为了改善合金的热 JEOL JEM-2010F型透射电镜；拉伸试验在 稳定性，提高高温强度川.研究表明四，对于A1- MTS-810型试验机上进行，拉伸速度为 Cu-Mg系合金，当Cu/Mg(质量比)为2~4时， 0.5 mm/min. 固溶处理后在130-140℃长时间保温析出S- (Al.CuMg)相，此时合金具有最好的强化效果. 2结果与讨论 喷射沉积快速凝固技术能够细化过共晶A1-Si 21不同时效时间下合金显微硬度的变化 合金中初晶S相的尺寸，显著地提高了合金的 图1为合金显微硬度随时效时间的变化曲 力学性能.本文研究了喷射沉积A1-20Si-5Fe 线.从图1可以看出，随着时效时间的延长，显 3Mn-3Cu-1Mg合金的时效过程，分析了析出强 化相对合金室温强度和高温(300℃)强度的影 260 响. 240 1试验方法 220 )王TT王I 本试验所用合金的化学成分（质量分数，%） 孟200 为：Si-20,Fe5,Mn-3,Cu—3,Mg-1,其余 为A1.喷射成形采用环孔式喷嘴，雾化气体为 180 N2,雾化压力为0.60.8MPa,喷射时熔体温度为 160 750~850℃，导流管直径为3mm,沉积距离为400 10 1520253035 mm.合金沉积坯在400℃下热挤压，挤压比为 t/h 10:1,挤压后获得φ15mm棒材，在空气中冷却. 图1135℃不同时效时间()喷射沉积A-20S1-5Fe-3Mn- 3Cu-1Mg合金的显微硬度曲线 收稿日期2000-12-25王锋男，32岁，博士 Fig.1 Vickers hardness of the spray-deposited Al-20Si- *国家863计划资助项目No.715-009-0032) 5Fe-3Mn-3Cu-1Mg alloy at 135C for various aging time
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 喷射沉积 卜 尸 一 ， 班 合金的 析 出强化行为 王 锋 ” 杨 滨 ” 崔 华 ” 段先进 ” 熊柏青 ， 张济山 ” 月匕京科技大学新金属材料国家重点实验室 ，北京 月匕京有色金属研究总院复合材料中心 ，北京 摘 要 利 用 热分析 、 显 微硬度测 定 和 透射 电子 显微分析等手段研究 了喷射沉积 卜 加七卜 合金的时效过程 结果表明 ， 两种沉淀强化相 卜 和 呱 肠 从合金基体中析出 ， 它们有效地提高了合金的室温强度和高温 ℃ 强度 关健词 喷射沉积 时效处理 沉淀强化 合金 分类号 卜 系 中的高硅铝合金 由于具有高的弹 性模量 、 低 的热膨胀系数和 良好 的耐磨性而得 到广泛 的应用 为了改善它的组织和性能 ， 常常 加人合金元素 ， ， ， ， 等 ， 其 中 ， 的主要作用是通过析 出强化提高合金 的室 温强度 ， 而加人 ， ， 是为 了改善合金 的热 稳定性 ， 提高高温强度 【 研究表 明口，， 对于 卜 系合金 ， 当 质量 比 为 时 ， 固溶处 理后 在 一 ℃ 长 时 间保温 析 出 一 创功 相 ， 此时合金具有最好 的强 化效果 喷射沉积快速凝 固技术能够细 化过共 晶 卜 合金 中初 晶 相 的尺寸 ， 显著地提高 了合金 的 力学性 能 本文研究 了喷射沉积 屯 卜 合金 的 时效过程 ， 分析 了析 出强 化相对合金室温强度 和 高温 ℃ 强度 的影 响 挤压后合金在 ℃ 固溶处理 后淬水 ， 时 效温度为 ℃ 试验在 型 热 分析仪上进行 ， 加热速度为 ℃ 合金硬度 在 型显微硬度仪上测定 ， 载荷为 ， 保压时 间为 ， 分析分别使用 · 和 一 型 透 射 电 镜 拉 伸 试 验 在 一 型 试 验 机 上 进 行 ， 拉 伸 速 度 为 灯 结果与讨论 不 同时效时间下合金显微硬度的变化 图 为合金显微硬度随时效时间的变化 曲 线 从 图 可 以看 出 ， 随着时效时间的延长 ， 显 试验方法 本试验所用 合金 的化学成分 质量分数 ， 为 一屯 ， 卜 ， 卜一 ， ， ， 一 ， 其余 为 喷射成形采用环孔式喷嘴 ， 雾化气体为 ， 雾化压力为 八 ， 喷射时熔体温度为 ℃ ， 导流管直径为 ， 沉积距离为 幻。 合金沉积坯在 ℃ 下热挤压 ， 挤压 比为 ， 挤压后获得中 棒材 ， 在空气 中冷却 收稿 日期 一 王锋 男 ， 岁 ， 博士 国家 计划资助项 目 · · ’ 王 ’ ‘ 王王 二 ’ 产飞 芍 二 扩 一 “ ‘ ’ ‘ 舀’ ” ” … ’ 王 卜 一 ’ 犷一犷不犷不犷花犷几犷万犷胃 涌 图 ℃不同时效时间闭喷射沉积 卜 卜 卜 合金的显微硬度 曲线 · 肠 卜 卜 ℃ 咖 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．03．033
VoL23 No.3 王锋等：喷射沉积Al-Si-F6M血C!-Mg合金的析出强化行为 217 微硬度两次出现峰值，表明时效过程中可能析 弥散分布的小颗粒有效地阻碍了位错的运动， 出两种不同的强化相.当时效处理12h,第一个 显著地强化了合金的基体.图4，图5分别为合 峰值出现，此时合金的显徽硬度为Hv232.随着 金在时效48h后两种不同形态析出相的形貌和 时效时间的增加，硬度逐渐下降，表明第一个析 电子衍射图像，可以看到，薄片状的析出相是 出相与合金基体的共格关系开始破坏，析出相 S-Al,CuMg,方块状的析出相是c-Al,CMg. 周围的共格畸变减弱；时效时间延长到24h,第 二个硬度峰值出现，此时合金的最大硬度值达 到Hv252,这表明第二个析出相对合金硬度的 贡献高于第一个析出相，成为时效过程中的主 要析出强化相 2.2DSC分析 图2为喷射沉积A-20Si-5Fe-3Mn-3Cu- 1Mg合金经470℃固溶处理后的DSC曲线.很 024m 明显，在加热过程中出现了两个放热峰，而冷却 图3喷射沉积A-20S1-5e-3Mn-3Cu-1Mg合金在135℃ 过程中却没有发生吸热反应.这表明在 时效24h后的电子显散图像 30-500℃加热过程中发生了两次不可逆的放热 Fig.3 Microstructure of the spray-deposited Al-20Si-5Fe- 3Mn-3Cu-1Mg alloy aged at 135C for 24 h 反应，第一个峰值出现在356℃，第二个峰值出 现在492℃.相比而言，第二个峰面积大于第一 个峰面积，表明第二个放热反应在时效过程中 占有主导地位.在300℃以下范围内，没有发现 GP区形成引起的放热反应，这是由于喷射沉积 过程中较高的冷却速度使合金基体晶格畸变度 增大，溶质原子的固溶度增加，从而使合金元素 析出的速度加快，直接析出了沉淀强化相.此 外，合金中存在的大量的Si,Fe,Mn元素改变了 AC-Mg系合金的时效特性，抑制了GP区的 出现 02μm 冷却过程 200 11 淬火 加热过程 0100200300400500 OAI [OT1] t℃ ●Al.CuMg001] 图2喷射沉积A20S15Fe-3Mn-3Cu-1Mg合金的 DSC图 Fig.2 DSC thermogram for the specimen of the spray-de- 图4喷射沉积A-20Si-5Fe3MB-3Ct-1Mg合金在135℃ posited Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg aloy 时效8h后的显微图像.（国）片状析出相的明场相： 2.3TEM和HREM分析 )片状析出相的暗场相；（©）选区衍射图 观察不同时效温度下合金的透射电子显徽 Fig.4 Microstructures of the spray-deposited Al-20Si- 5Fe-3Mn-3Cu-1Mg alloy aged at 135'C for 48h 图像，没有发现明显的GP区出现.图3为合金 在时效24h的电子显微图像，可以看到，在合金 图6为喷射沉积A-20Si-5Fe-3Mn-3Cu- 基体的位错线附近析出了大量的小颗粒相，它 IMg合金时效12h后的HREM图像，结果表明， 们是合金时效过程中出现的最初的产物.大量 合金中析出了方块状的强化相，没有发现片状
·218· 北京科技大学学报 2001年第3期 (a) 0.Zgm 0.21m 202 220 20 022 OAI [TI1] ●oT1) 图5喷射沉积A-20Si-5Fe-3Mn-3C-1Mg合金在135℃时效48h后的电子显搬图像.(a)方块形析出相的明场相； (⑥)方块形析出相的暗场相；（©选区衍射图 Fig.5 Microstruetures of the spray-deposited Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg alloy aged at 135C for 48 h 02】 B-(1m] 10mm- 图6喷射沉积A-20SiFe-3Mn-3Cu-1Mg合金在135℃时效12h后的HREM图像.(a)方块析出相的阴场相； ()选区衍射图 Fig.6 HREM photographs of the spray-deposited Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg alloy aged at 135C for 12h 的析出相：电子衍射分析表明，方块状的强化相 HREM观察的结果，很明显，喷射沉积A-20Si 是c-Al,CuMg.图7为方块状析出相c的高分辨 5Fe-3Mn-3C-1Mg合金在135℃下的时效过程 电子谱. 中析出了两种强化相，是S-A1,CuMg和o- 根据显微硬度测定、DSC分析、TEM和 Al,CuMg.当时效时间为12h,合金中首先析出 了方块状的c相；当时效时间延长到24h,片状 的S相从合金基体中析出.所以，在135℃下时 效24h合金硬度的提高是两种强化相共同作用 的结果. 2.4喷射沉积AL-20S1-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg合金 的力学性能 表1为喷射沉积A-20S1-5Fe-3Mm-3C- 图7方块形o相的REM图像 1Mg和A!-20Si-5Fe-3Mm合金的力学性能数据. Fig.7 HREM photographs of cubic a phase 从表中可知，在A1-20Si-5Fe-3Mn合金中加人 表1喷射沉积合金的力学性能 Table 1 Mechanical properties of sprny-deposited alloys 合金 过程 T/K /MPa a/MPa SD+400℃热挤压 300 209 Al-20Si-5Fe-3Mn 316 +470℃调质 573 148 260 SD+400℃热挤压 300 Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-IMg 328 452 +T6调质 573 279 324
Vol.23 No.3 王锋等：喷射沉积A-Si-Fe-MnCu-Mg合金的析出强化行为 *219 一定数量的Cu,Mg元素后，合金经过喷射沉积 Al2CuMg,c-Al,CMg,片状的S相能够提高合 快速凝固和后续的时效处理，在合金基体中析 金的室温强度，方块状的σ相具有较高的热稳定 出了时效强化相，合金在常温下的屈服强度提 性，它的存在可以显著地改善合金的高温强度 高了约120MPa,抗拉强度提高了136MPa,在高 (300℃). 温下(300℃)的屈服强度提高了131Pa,抗拉 参考文献 强度提高了64MPa,这是由于合金在时效过程 1 Anand S,Srivatsan T S,Yue Wu.Microstructure and Frac- 中析出了大量的S,σ相，它们能够强烈地阻碍 ture Behavior of Spray Atomized and Deposited Alumin- 位错的运动，显著地提高合金的常温强度：片状 um-silicon Alloy.J Mater Sci,1997,32:2835 的S相在温度高于150℃时开始分解，而方块形 2 Shih HC,Ho NJ,Huang JC.Precipitation Behaviors in 析出相σ具有较高的热稳定性，它在超过400℃ Al-Cu-Mg and 2024 Aluminum Alloys.Metall Mater 才开始分解，所以σ相的析出大大地改善了合 Trans,.1996,27A:2479 金的高温强度 3 Yuan X G,Ren L Q,Li QC.Microstructure and Mechan- ical Property of Spray-deposited Al-20Si-5Fe-3Cu-1Mg Alloy.Acta Metallurgica Sinica,1999,35(5):482 3结论 4 Schueller R D,Wawner FE,Sachdev A K.Strengthening Potential of the Cubic o Precipitate in Al-Cu-Mg-Si All- 喷射沉积Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg合金 oys.J Mater Sci,1994,29:239 的时效过程中析出了两种不同形态的强化相S- Precipitation Behavior of the Spray-deposited Al-Si-Fe-Mn-Cu-Mg Alloy WANG Feng",YANG Bin,CUI Hua,DUAN Xianjing",XIONG Baiqing,ZHANG Jishan 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Composite Materials Center,General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China ABSTRACT The aging process of the spray-deposited Al-20Si-5Fe-3Mn-3Cu-1Mg alloy was investigated by DSC analysis,microhardness measurement,TEM and HREM observations.The results show that two kinds of precipitates,S-Al,CuMg and o-Al,CuMga precipitate from matrix and improve the tensile strength of the alloy efficiently at both the ambient and elevated temperatures (300C). KEY WORDS spray deposition;age treatment;precipitation hardening;Al-Si system alloy
】 一 王锋等 喷射沉积 毛小材 合 金 的析 出强化行 为 一 一定数量 的 ， 元素后 ， 合金经过喷射沉积 快速凝 固和后续 的时效处理 ， 在合金基体 中析 出了时效强化相 ， 合金在 常温下 的屈 服强 度提 高了约 ， 抗拉强度提高了 ， 在高 温下 ℃ 的屈 服强度提高了 ， 抗拉 强度 提高了 ， 这是 由于合金在时效过程 中析 出了大量 的 ， 相 ， 它们能够强烈地 阻碍 位错的运动 ， 显著地提高合金 的常温强度 片状 的 相在温度高于 ℃ 时开始分解 ， 而方块形 析 出相。 具有较高的热稳定性 ， 它在超过 ℃ 才开始分解 ，，， 所 以。 相 的析 出大大地改善 了合 金 的高温强度 咖 ， 。 一 儿 讥 今 ， 片状的 相能够提高合 金 的室温强度 ， 方块状的 相具有较高的热稳定 性 ， 它 的存在可 以 显著地改善合金 的高温强度 结论 喷射沉积 合金 的时效过程 中析 出 了两种不 同形态的强化相 一 参 考 文 献 ， ， 奴址 咏 一 ， ， 止 ， ， 曰 功 ， ， ， ， 盯 一 一 ， ， ， 叭厄 ， 卜 兮 ， ， 一 一 班 ， ， 恻万 ， 气 叭 乙月 ，天汀 扩， 凡 ， ， ， ， 肚 · 丘叮训 ， ， 盯 一 一 一 ， 卜 ， ， ， ， ‘ 拓 权双 一