简介概要

SiO₂表面覆盖剂对铝合金熔体直接氧化生长的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：袁森都业志王武孝

文章页码：13 - 16

关键词：直接金属氧化； Al₂O₃/Al复合材料； SiO₂表面覆盖剂；生长形貌；微观组织

Key words：directed metal oxidation； Al₂O₃/Al composite； SiO₂ surface dopant； growth morphology； microstructure

摘要：以Lanxide材料的成形工艺控制为目标 ,研究了SiO₂表面覆盖剂在铝合金熔体直接氧化生长过程中的作用。结果表明有效促进Al₂O₃/Al复合材料生长的SiO₂加入量为 1～6g/dm²。SiO₂能够显著促使材料近平面生长 ,形成细化胞状晶团和提高组织均匀度 ;在覆盖SiO₂的条件下 ,温度升高 ,生长速度加快的同时 ,材料宏观生长表面趋于平整 ,但温度过高会对组织致密度产生不利影响。

Abstract: With the purpose of controlling Lanxide composite forming technique, the effect of SiO₂ as a surface dopant on directed oxidation of molten aluminium alloy was studied. The results show that the optimum content of SiO₂ is 1～6 g/dm², which promotes the near planar surface, the homogenity of microstructure and fine cellular of Al₂O₃/Al composites. The higher the growth temperature, the faster the oxidation growth, and the smoother the macro surface of composite; but the density of composite is lowered down when the temperature is excessively high.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.004

SiO₂表面覆盖剂对铝合金熔体直接氧化生长的影响

袁森都业志王武孝

西安理工大学材料科学与工程学院

西安理工大学材料科学与工程学院西安710048

摘要：

以Lanxide材料的成形工艺控制为目标 , 研究了SiO2 表面覆盖剂在铝合金熔体直接氧化生长过程中的作用。结果表明有效促进Al2 O3/Al复合材料生长的SiO2 加入量为 1～ 6 g/dm2 。SiO2 能够显著促使材料近平面生长 , 形成细化胞状晶团和提高组织均匀度 ;在覆盖SiO2 的条件下 , 温度升高 , 生长速度加快的同时 , 材料宏观生长表面趋于平整 , 但温度过高会对组织致密度产生不利影响

关键词：

直接金属氧化;Al2O3/Al复合材料;SiO2表面覆盖剂;生长形貌;微观组织;

中图分类号： TB331

收稿日期：2000-09-07

基金：陕西省自然科学研究计划资助项目 ( 98C14 );

Effect of SiO₂ surface dopant on directed oxidation of molten aluminium alloy

Abstract：

With the purpose of controlling Lanxide composite forming technique, the effect of SiO 2 as a surface dopant on directed oxidation of molten aluminium alloy was studied. The results show that the optimum content of SiO 2 is 1～6?g/dm 2, which promotes the near planar surface, the homogenity of microstructure and fine cellular of Al 2O 3/Al composites. The higher the growth temperature, the faster the oxidation growth, and the smoother the macro surface of composite; but the density of composite is lowered down when the temperature is excessively high.

Keyword：

directed metal oxidation; Al 2O 3/Al composite; SiO 2 surface dopant; growth morphology; microstructure;

Received： 2000-09-07

采用直接金属氧化工艺 (Directed Metal Oxidation, DIMOX) ^[1,2] 制备的Lanxide陶瓷基复合材料 (CMC) 具有良好的力学性能以及在高温、腐蚀、磨损工况中良好的使用性能, 因此在航空航天结构件、热交换器、汽车制动、电子密封、光学系统等领域具有广泛的应用前景 ^[3] 。以Lanxide Al₂O₃/Al复合材料为例, 初期的研究 ^[4,5] 是在铝合金熔体上直接生长复合材料, 铝合金液一方面不断氧化生成Al₂O₃陶瓷骨架, 同时又以三维连通状态充填骨架间隙;进一步的工作 ^[6,7] 是将增强纤维或颗粒作成具有零件结构和形状的预制体, 控制铝合金向预制体内氧化生长, 包覆预制体内的增强相, 从而使Lanxide材料的性能得到大幅度提高。

SiO₂表面覆盖剂对合金熔体自氧化生长有诱发和引导作用 ^[8] , 可以明显缩短Al-Mg-Si合金自氧化生长的孕育期 ^[9] , 并对材料的胞状生长方式及组织结构产生重要影响。作者以Lanxide材料的成形工艺控制为目标, 考察SiO₂覆盖剂在铝合金熔体直接氧化生长过程中的作用。

1 实验

母合金为Al-3Mg-10Si (质量分数, %) , SiO₂粉末粒度为100μm。将合金母材置于高纯刚玉坩埚中, 均匀覆盖SiO₂粉末, 在一定温度下保温, 生长结束后称量每个试样的质量。实验分2组进行, 第1组实验中SiO₂添加量为1～8 g/dm², 1 200℃保温10h;第2组实验中SiO₂添加量为0.5～4 g/dm², 1200℃保温5h。

为考察SiO₂表面覆盖剂对材料生长形貌和微观组织的影响, 用耐火骨料 (高铝熟料) 和耐火水泥预制圆形坩埚, 内表面涂覆一层Al₂O₃粉 (用水玻璃调匀) , 以阻止铝合金液向坩埚壁渗透。将称量好的铝合金母材置于坩埚中, 加热熔化, 扒去表面氧化渣, 均匀覆盖SiO₂粉末, 在不同工艺条件下直接氧化生长制备出了3种Lanxide材料, 具体工艺参数列于表1。

表1 实验工艺参数 Table 1 Technology parameters

2 实验结果及分析

2.1 SiO2覆盖量对自氧化生长的影响

SiO₂覆盖量与氧化质量增加Δm的关系曲线见图1。可以看出, 第1组试样氧化质量增加为8.890～9.775g, 表明SiO₂表面覆盖剂能显著缩短材料氧化生长孕育期。而试样间氧化质量增加相差很小, 相差最大值为0.885g, 最小值为0.110g。考虑到试验误差, 可认为SiO₂覆盖量的变化对氧化生长没有明显影响。SiO₂覆盖量为8 g/dm²时, 氧化质量增加仅1.010g, 这很可能是因为SiO₂覆盖层较厚, 阻止了Mg蒸气与氧气作用, 使材料氧化生长不能正常进行。

图1 SiO2覆盖量与氧化质量增加的关系曲线

Fig.1 Relationship between SiO₂content and mass gain in oxidation for different holding time

第2组试样氧化质量增加1～4 g, 这说明即使SiO₂覆盖量很低, 也能够有效促进材料生长;但是当SiO₂覆盖量低于0.5g/dm²时, 由于难以覆盖均匀, 起不到缩短孕育期的作用。未覆盖SiO₂的试样质量仅增加1.030g, 观察其生长表面无胞状凸起, 即没有材料生成, 氧化质量增加是由初始氧化期和孕育期间形成的MgO和MgAl₂O₄引起的。

由以上分析可以确定, 有效促进Al-Mg-Si合金自氧化生长的SiO₂覆盖量为1～6g/dm²。

2.2 SiO2对复合材料形貌的影响

图2是材料A, B和C生长表面的宏观形貌。可以看出, 材料A生长表面胞体 (胞状晶团) 明显细化, 宏观表面很平整;材料B生长表面胞体较A粗, 宏观表面也较平整;材料C生长表面胞体尺寸大小很不均匀, 高低不平, 宏观表面十分粗糙。这表明不同合金成分和生长温度的Al-Mg或Al-SiMg合金熔体表面覆盖SiO₂粉末, 胞体均不同程度地趋向细化, 生长表面趋于平整。

在铝合金的初始氧化期和孕育期, 首先在熔体表面形成MgO/MgAl₂O₄复合层, 根据Al-Mg-O相图, 当与MgAl₂O₄接触的铝合金熔体中Mg的浓度由于挥发而低于0.4% (质量分数) 时, MgAl₂O₄在热力学上处于不稳定状态, 被合金液逐渐“腐蚀”形成毛细通道。未覆盖SiO₂的材料, 由于MgAl₂O₄表面膜不均匀, 其中组织疏松、厚度较薄的部分率先形成毛细通道, 胞状晶团优先生长, 尺寸相对较大。相反, 较厚的、组织致密的部分溶解形成通道所需时间较长, 材料生长滞后, 胞体尺寸也相对较小。在覆盖SiO₂的条件下, SiO₂与熔体在高温下很快发生反应 ^[8,9] , 诱发和引导合金液上升腐蚀MgAl₂O₄形成微观毛细通道, 一方面缩短孕育期, 同时也促进材料近平面生长。

2.3 温度对生长形貌的影响

图3为材料A和B单个胞体形貌的SEM照片。可以看出, 材料A单个胞体呈突起锥状, 并与生长方向平行;而材料B单个胞体表面由大量微胞体组成, 表面呈波浪状起伏。分析认为, 产生这种差异的原因是不同温度下材料生长的速度不同所致, 温度越高生长速度越快, 温度降低生长速率也相应下降。研究表明 ^[10] , 自氧化生长是一个微观淹没与宏观合并的胞状生长过程。根据能量最低原理, 温度升高, 表面能增加, 生长体系自发向能量降低的方向进行, 通过胞体与胞体之间侧向愈合以减小表面积, 降低能量。

图2 材料氧化生长表面形貌

Fig.2 Morphologies of growth surface

(a) —Sample A; (b) —Sample B; (c) —Sample C

材料A的生长温度为1 250℃, 自氧化生长速度快, 胞体端部迅速向前推进, 温度对生长速度的影响超过胞体侧向愈合降低能量的影响, 单个胞体锥状生长特征明显。材料B的生长温度为1200℃, 生长速度较慢, 胞体之间侧向愈合明显, 所以微观上胞体表面比材料A的平整。

2.4 SiO2对氧化生长微观结构的影响

图4所示为材料A, B和C的微观组织, 其中白色相为金属相, 灰色相为陶瓷相, 黑色为孔洞。

可以看出, 材料A基体上分布有微观孔洞, 基体中金属相含量较高并且相互连通;材料B组织与材料A相似, 但孔洞数量明显减少;材料C不同胞体的粗细程度相差较大, 但每个胞体内组织相对均匀。由于材料A生长温度高, 胞体正向生长速度快, 胞体间侧向愈合程度低, 在胞与胞之间形成了个别微观孔洞, 材料B宏观生长表面形貌虽不及材料A平整, 但单胞表面比较平整, 这有助于消除胞体侧向接触时产生的孔洞;而且SiO₂与熔体反应形成的微观通道无论在尺寸和分布均匀程度上, 都比自发形成的较少微观通道更有利于消除胞体间微观结构的差异。材料C由于各胞体生长条件不一致, 微观组织中陶瓷相和金属相也随胞体不同而呈区域性分布。因此, 合理的生长温度对控制材料组织致密度也是非常重要的。

综上所述, 通过在铝合金熔体表面覆盖SiO₂和控制生长温度等工艺参数, 可以控制材料胞状生长方式, 进而控制复合材料微观组织, 提高致密度和均匀度, 有利于提高材料的综合性能。

图3 胞体生长形貌的SEM照片

Fig.3 SEM mophologies of nodules growth

(a) —Sample A; (b) —Sample B

图4 复合材料的微观组织

Fig.4 Microstructures of composites

(a) —Sample A; (b) —Sample B; (c) and (d) —Sample C