文章编号：1004-0609(2009)09-1570-05

超高压力对ZA27合金晶体结构及微观组织的影响

李荣德，曹修生，曲迎东，谢  尧，李润霞，田  畅

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110178)

摘  要：采用高机械压力方法制备ZA27合金试样，通过X射线和金相分析手段研究晶体结构与组织变化。结果表明：随着压力的增加，晶面间距和晶格常数都逐渐减小，当压力达到5 GPa时，富铝α相在(200)与(220)晶面    处，晶面间距较常压力时的分别减小1.07%和1.15%；在常压至3 GPa范围内，晶粒由粗大的树枝晶→细小的树枝晶→粒状、椭球状枝晶转变的趋势，通过压力对合金凝固溶质扩散系数的影响结合Scherrer公式计算分析其组织变化原因，得出在一定的压力范围内，随着压力的增大，晶粒尺寸逐渐变小，这一结论与实验结果相符。

关键词：超高压；ZA27合金；晶体结构；晶粒组织

中图分类号：TG 249　　     文献标识码：A

Effect of super high pressure on crystal structure and microstructure of ZA27 alloy

LI Rong-de, CAO Xiu-sheng, QU Ying-dong, XIE Yao, LI Run-xia, TIAN Chang

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110178, China)

Abstract: ZA27 alloy was produced under super high pressure. The remarkable changes of crystal structure and microstructure were analyzed by XRD and metallography microscopy. The results show that the interplanar crystal spacing and lattice index of Al-rich α phase reduce gradually with increasing pressure. When the pressure reaches from common pressure to 5 GPa , Al-rich α phase lies on the (200) and (220) crystal faces, the interplanar crystal spacing are reduced by 1.07% and 1.15%. From common pressure to 3 GPa , the microstructure of ZA27 alloy changes from thick dendrites to fine dendrites, and finally to granular. According to the effect of solute diffusion coefficient under super high pressure and the calculation of Scherrer formula, it can be seen that the crystal organization is fine within the bounds of certain pressure. This conclusion is consistent with the experiment results.

Key words: super-high pressure; ZA27 alloy; crystal structure; grain organization

锌铝合金结晶温度范围宽，凝固过程复杂，常压铸造条件容易出现偏析严重、缩松和缩孔等缺陷，限制了其使用的范围，故锌铝合金适合在高压下^[1-4]凝固。目前，一般采用金属型铸造和挤压铸造制备工艺制备锌铝合金铸件，作用于锌铝合金上的压力范围仅为几十至几百兆帕^[5-6]，此压力范围尚不足引起锌铝合金凝固组织奇异性变化。随着超高压技术的发展，在金属凝固领域引入超高压力技术可使合金凝固组织发生显著改变^[7-9]。目前该领域的研究刚刚处于起步阶段。锌铝合金在超高压作用下的研究报道不多。近些年，尽管有些研究者针对锌铝合金在超高压作用下的组织和性能进行了探讨^[10-11]，但尚未涉及微观晶粒结构的变化。本文作者对超高压力下ZA27合金的晶体结构和显微组织进行研究，从而掌握超高机械压力作用下锌铝合金晶体结构与常压条件下不同的特点以及超高压作用下ZA27合金的微观组织变化规律。

1  实验

试样原材料采用1号锌、0号铝、纯镁锭、Al-Cu中间合金。熔炼是在6 kW电阻炉中进行。加热到660~680 ℃，利用部分Zn调节原料温度至620 ℃，经变质、精炼和扒渣后于550~600 ℃浇注成金属型试棒。铸型为金属型，浇注前预热到150~200 ℃。ZA27合金试样实际成分为Al 27.1%，Cu 0.6%，Mg 0.02%，其余为锌(质量分数)。尺寸为d 34 mm×142 mm，用线切割成d 6 mm×6 mm的小圆柱试样。高压试验在CS-1B型高压六面顶压机上进行^[12]。试样用BN粉末进行包裹，用叶腊石做密封兼传压材料。将压力升高到指定压力后，将温度加热到合金熔化温度，保温保压5 min后停止加热，待试样冷却到室温，卸压，取出试样。最后采用S-3400N型扫描电子显微镜对试样的组织形貌进行分析。在RigakuD/max-3C型X射线衍射仪上进行试样的相结构分析。

2  结果与分析

2.1  压力对合金晶面间距变化的影响

图1所示为富铝α相(200)和(220)晶面衍射峰。结合图1可以看出，在常压以及2、3和5 GPa压力下，锌铝合金试样的衍射曲线上布拉格角对应的曲线峰随着压力的增大逐步向高角度方向偏移，且同一物相的高角衍射峰的偏离比低角衍射峰的偏离大，查PDF卡片有关参数结合布拉格方程计算常压富铝α相的(200)晶面和(220)晶面下的具体晶面间距数值，从而讨论不同压力下的试样的晶面间距的变化规律，以说明XRD曲线峰值偏离原因。同时，也能说明同一物相的高角衍射峰的偏离比低角衍射峰的偏离大的这个规律事实。用快速傅立叶变换滤波^[13-14] 对α(Al)相(200)、(220)晶面衍射曲线进行平滑取点，测量2θ角结果列于表1。根据布拉格方程：

图1  富铝α相(200)(a)和(220)(b)晶面的衍射峰

Fig.1  (200)(a) and (220)(b) crystal plane diffraction peaks of Al-rich α phase

表1  测量的α(Al)相(200)和(220)晶面的2θ角

Table 1  Angle tested for (200) and (220) crystal planes of Al-rich α phase

计算可得常压以及2、3和5 GPa压力状态下富铝α相(200)和(220)晶面两个位置处对应的晶面间距变化，计算结果如表2所列。从表2中计算数值可以看出，随着压力的升高，富铝α相在(200)和(220)晶面两个位置的晶面间距分别由常压下的2.024 00 ?减小到2.002 34 ?和由1.431 00 ?减小到1.414 50 ?。超高压(5 GPa)较常压下这两个晶面间距减小的比率分别为1.07%和1.15%。从以上计算结果可以看出，(220)晶面对应的高角度衍射比(200)晶面对应的低角度衍射晶面间距减小的比率大。从而可以得出，在一定的压力范围内，随着压力的升高，衍射峰向左偏移，高角度衍射比低角度衍射偏离严重。

表2  不同压力下富铝α相(200)和(220)晶面的晶面间距

Table 2  Space of (200) and (220) crystal planes of Al-rich α phase under different pressure

2.2  压力对合金晶格指数变化影响

富铝α相的晶体结构为面心立方结构，属于立方晶系范畴，可利用以下公式：

求出富铝α相的晶格指数。计算求得常压以及2、3和5 GPa下的晶格指数，其结果列于表3。从表3中可以看出，在不同压力下的富铝α相的(200)和(220)晶面晶格指数分别由常压下的4.048 ?减少到5 GPa时的4.004 68 ?以及由常压下的4.046 87 ?减少到   5 GPa时的4.000 21 ?，变化较为明显。

表3  富铝α相的晶格指数

Table 3  Lattice index of Al-rich α phase

2.3  不同压力下溶质扩散对晶粒细化影响

图2所示为ZA27合金凝固组织在不同压力下的形貌。从图2中可以看出，枝晶生长呈各向异性，逐渐细化。随着压力的变大，枝晶形态经历了由粗大的树枝晶→细小的树枝晶→粒状、椭球状枝晶转变。图2(d)中的枝晶组织出现了少量的粒状、椭球状颗粒。在高机械压力作用下影响合金微观组织的因素很多，本文作者将试图从溶质扩散的角度去分析。溶质扩散在合金凝固过程中占据着重要的角色^[15]，对合金整个凝固过程都产生了重要的影响。高压凝固由于熔体粘度增大，对溶质在液相中的扩散产生很大影响，压力与溶质扩散系数关系可用下式表示：

     (3)

式中：R为摩尔气体常数，R = 8.314 J/(K?mol)；T为熔体温度；δ为原子自由行程长度；η为熔体的粘度；η₀为大气压力下且温度相同时熔体的粘度；V₀为液相的原始摩尔体积。本试验采用的压力为GPa级的高压，故式(3)可以简化为

                   (4)

图2  ZA27合金凝固组织在不同压力下的形貌

Fig.2  Morphologies of ZA27 alloy solidified under different pressures: (a) Common pressure; (b) 1 GPa; (c) 2 GPa; (d) 3 GPa

由式(4)可以看出，溶质扩散系数随着压力的增 加呈指数衰减，本文作者粗略估计V₀值1.823×10^{-5 m3}/mol，根据式(4)可以计算出ZA27合金在5 GPa、   1 079 K时的溶质扩散系数与常压的比值为D_p/D₀= 6.724×10^{-4 m3}/mol。由此可见，在 5 GPa高压下，合金的溶质扩散系数降低了4个数量级，高压下溶质扩散比常压下困难的多，几乎不会产生较大的对流。由于高压下产生的溶质扩散比较困难，所以不会出现长程扩散，这样就容易形成溶质富集层，增加成分过冷，在实际高机械压力作用凝固条件下的D_p/D₀的比值还要比计算值低出许多，因为文中计算的数值是在纯液态情况下的溶质扩散现象，在凝固过程中，枝晶间的压力传递必定比纯液态的还要困难。在高机械压力作用下，合金凝固溶质扩散程度减弱所以易形成溶质富集层，极大程度的增加了成分过冷，晶体生长方式由外生生长向内生生长的趋势变大，在晶体内部具有异质形核质点的存在所以极大增加形核率。所以压力对凝固合金扩散系数的影响将对组织细化、枝晶形貌的改变起到了重要的作用^[16]。此外，从X射线衍射图谱也可以分析压力对其晶粒尺寸变化的影响，在衍射曲线上衍射峰的半高宽(半峰宽)越大其晶粒度越小。可以由X射线衍射区中半高宽β表现构成物质的晶粒大小，峰宽化与晶粒的大小密切相关。使用Scherrer公式：

本研究中测出的晶面衍射峰的半高宽具体数值列于表4。从测量结果可以看出，在衍射曲线上，(200)和(220)晶面衍射峰的半高宽都是随着压力的增大而增加。根据Scherrer公式可知，垂直于(220)和(200)晶面的微晶尺寸逐渐减小，同样可以说明在压力作用下ZA27合金内部的组织细化。

表4  (200)和(220)晶面衍射峰的半高宽

Table 4  Half width of diffraction peaks of (200) and (220) crystal planes

3  结论

1) 随着压力的升高，ZA27合金XRD曲线衍射峰向高角度偏移，高角度衍射峰比低角度衍射峰偏离严重。

2) 不同压力下的富铝α相在同一晶面处的晶格指数随着压力的增大而减小；但在相同压力下的不同晶面处的晶格指数却变化不大。

3) 在常压至超高压5 GPa的范围内，富铝α相的(200)和(220)晶面间距及晶格常数都是随着压力的增加逐渐减小。

4) 从溶质扩散角度以及Scherrer公式计算晶面衍射峰的半宽高的方法分析了高机械压力作用下合金组织细化过程。

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(编辑 李艳红)