一种离心原位铸造的高温拉伸性能的Al-Mg2Si缸体衬板汽车气缸用功能梯度材料外文翻译资料

 2022-01-13 22:40:52

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合金与化合物杂志

一种离心原位铸造的高温拉伸性能的Al-Mg2Si缸体衬板汽车气缸用功能梯度材料

关键词：金属基复合材料 金属互化物 机械性能 微观结构 扫描电镜 XRD衍射图谱

摘要：研究了镁含量(2.5%和7.5% wt%)对离心原位铸造A356-Mg2Si复合功能梯度材料(FGM)的影响。二次枝晶间距(SDAS)对Mg2Si颗粒的尺寸和体积百分比有影响。FGMs的特点是光学和扫描电子显微镜，x射线衍射分析，测量硬度与室温和高温拉伸性能(UTS)。在150c和300c时，组织特征与室温和高温拉伸性能有关。由于Mg2Si颗粒在内部区域的数量最多，所以在这三个区域中，这些区域的拉伸强度最大。在室温下，添加7.5 wt% Mg的梯度材料的抗拉强度最大，但随着温度的升高，梯度材料的抗拉强度逐渐降低。在150 c左右的温度下，三种复合材料的峰值信度均达到178 MPa，最高峰值信度为A356e2.5%Mg。随着试验温度的升高，断裂模式由混合模式转变为韧性模式。这两种模态分别是由软基体颗粒的开裂和脱粘引起的。

引言：

阿莱西铸造合金作为铸铁的替代材料，越来越多地用于汽车发动机零部件的制造。Al-Si合金除了具有高强度重量比外，还具有良好的导热性能，这对于快速提取燃烧热[1]至关重要。在这方面，铝硅合金比铸铁要好。汽车工业目前面临着提高发动机效率和整体性能的挑战。汽车发动机必须改进以提高效率，这显然需要提高发动机的最大工作温度和压力。随着操作温度的升高，随着亚共晶AleSi合金在这些升高的操作温度下软化，需要对AleSi合金进行高温强化。虽然目前亚共晶铝硅合金缸体配铸铁衬套的应用较为广泛，与之相关的问题是内衬和发动机缸体之间的导热系数不匹配以及发动机的尺寸过大。然而，亚共晶阿莱西合金不能满足发动机缸体所需的摩擦学特性，因此有必要采用合适的技术来改善气缸内表面的摩擦学特性。

Al-Si气缸套内壁可涂覆一层含有增强颗粒(如Si粉末)的硬质耐磨层，采用激光表面包覆或喷雾沉积方法。但是，流程的固有复杂性和成本限制了其使用。随着功能梯度材料（FGM)的出现[6,7]，复合材料的梯度微观结构和成分可以得到发展。离心铸造法是制备FGMs最有效的方法之一。在铝硅镁合金熔体中，采用超镁与硅直接反应制备了铝镁硅原位复合材料。Al-Mg2Si复合材料有吸引力的候选人材料为航空航天、汽车、和其他应用程序因为Mg2Si展品1085 C的高熔点,低密度的103公斤1.99立方米,4.5 109 nm2硬度高,低的热膨胀系数7.5 106 K1和相当高的弹性模量of120 Gpa。

Farahany等人通过重力铸造研究了al -13 Mg-7Si-2Cu原位复合材料凝固过程中金属间形成的顺序。凝固开始于一次Mg2Si析出，然后是共晶Al-Mg2Si、Al5FeSi，同时析出Al5Cu2Mg8Si6和Al2Cu复合金属间相，Shabastari et al.[10]报道了坡口铸造和半固态处理对铝-25%Mg2Si复合材料Mg2Si颗粒形貌变化的影响。在坡口铸件中，由于流体剪切应力的作用，颗粒的成核率和破碎率的增加，使晶粒尺寸得到细化。通过半固态处理，观察到a-Al和Mg2Si粒子的球化现象。Georgatis et al.[11]研究了改性熔模铸造工艺制备al -11% Mg2Si-Si原位复合材料的组织、热处理及力学性能。研究发现，精细的枝晶臂间距可以改善材料的老化性能。Lee Yun-Soo et al.[12]研究了均匀化前塑料加工对al - mg5si - 2mn工作性的影响。塑料冷加工将相互连接的共晶Mg2Si分解成碎片颗粒。由于Mg2Si的均匀分布、晶粒细化和铸件缺陷的消除，提高了热加工板材的屈服和极限拉应力，提高了板材的延展性。

Al-Mg2Si原位复合材料FGMs的研究多采用原Si和Mg2Si增强的过共晶Al-Si-Mg合金。观察(13、14),如果和Mg2Si粒子形成隔离在铸件的内部层由于其较小的密度(rSifrac14;2.33克/立方厘米,rMg2Sifrac14;1.99克/立方厘米)比铝熔体(露珊frac14;2.37克/立方厘米)。强化层中原硅和Mg2Si颗粒的分离赋予这些铸件优异的耐磨性。Lin et al.[15]研究了Si和Mg含量对离心铸造法制备的过共晶阿莱西姆FGMs组织的影响。结果表明，Si和Mg的含量对偏析区原代Si和Mg2Si颗粒的体积分数和粒径有较大影响。Mg2Si颗粒对Si颗粒也有向偏析区推进的作用，偏析区影响Si颗粒的大小。在另一项研究中，Lin等人[16]研究了各种工艺参数对AleSieMg FGMs管中原位原生Si/Mg2Si颗粒的颗粒偏析比和颗粒分布的影响，包括颗粒大小和体积分数。测试了管材的硬度、耐磨性和热膨胀性能。结果表明，随着工艺参数的不同，颗粒偏析率也不同。颗粒偏析比可由三个参数控制:a)金属浇注温度;b)模具温度;(Gfrac14;u2R / G, R是铸铁管的半径(米),u是模具旋转速度(以弧度s1)和G的重力加速度)。Rahvard et al.[17]研究了Mg wt.%对A390基合金组织和力学性能的影响。由Si/Mg2Si颗粒增强的6%Mg环仅分布在内层，而在12%Mg环中，Mg2Si增强颗粒分布在整个截面。

研究了不同的微观结构参数，如二次枝晶间距(SDAS)、硅颗粒等微观结构成分的尺寸和形貌、不同类型的金属间相对室温拉伸性能的影响。Wang等[18,19]报道，随着基体强度和fe -intermetal (p-phase)的尺寸和体积分数的增加，Mg含量从0.4% (A356)增加到0.7% (A357)会降低延性。在T6处理的未改性合金中，共晶粒径和展长比随着SDAS的增加而增大，导致延性降低。断裂主要由大而细长的Si组成的A356材料的延性较低，而A357材料的损伤主要由Ferich p相颗粒引起。所有微观组织的损伤随应变线性累积，但损伤速率取决于二次枝晶臂间距和改性状态。Rincon等[20,21]研究了A319压铸合金在高达400 c的铸态和热处理条件下的拉伸和变形行为。这一概念的基础是通过加入微量元素Ni、Zr、Ti、Cr和V[22]来形成热稳定且抗粗化的沉淀物。这些微量元素添加到Ale7Sie1Cue0.5 Mg[23,24]、Ale12SieMg[25]、Al-9Si-Cu-Mg[26]和Ale13SieCu[27]中，可以显著提高其高温(250c或以上)抗拉强度。Zamani et al.[28]研究了不同冷却速率下铝硅镁合金铸件的高温拉伸行为，其拉伸性能与SDAS相关。Bo Li等人研究了温度对过共晶铝硅镁梯度材料拉伸性能的影响。观察到颗粒断裂和界面脱粘对复合材料的断裂行为均有影响，随着测试温度的升高，界面脱粘成为主要的断裂机制。然而，关于低共晶Al-Mg2Si FGM随Mg的wt.%变化的高温拉伸性能，目前还缺乏相关的文献报道。目前缸体制造中应用最广泛的材料是A356或A319。由于这些合金在孔壁中缺乏耐磨性，衬套的插入使其具有适当的性能，从而要求其在热性能上有适当的匹配。在这方面，由A356合金制成的FGMs将是完美的。鉴于此，本研究试图评价FGM亚共晶Al-Mg2Si在汽车缸体衬垫esitu复合材料中的高温拉伸行为。

2. 实验的细节

2.1熔化和铸造

A356锭和铝20%镁母合金在750摄氏度的电阻加热炉中，在5公斤容量的粘土石墨坩埚中熔化。熔融是在MgCl2和KCL混合物的助熔剂覆盖下进行的，以避免任何浮渣的形成。熔渣熔化后撇渣，用六氯乙烷脱气。将熔融后的复合材料转移到垂直离心铸造机上的预热搅拌铸造熔炼炉中(图1)，用石墨搅拌器搅拌10分钟均匀混合。然后将熔体以1200 rpm的恒定转速倒入旋转铸铁模具中。模具在浇注前预热到250c。离心铸造外径100mm、厚度18mm、长度150mm的管材。用光学发射光谱仪(Foundry Master)分析了基体合金和复合材料的化学成分(表1)。

2.2显微和相分析

对于微观结构观察，样品按照标准金相程序制备。用Keller试剂蚀刻抛光表面约5分钟，微观结构观察采用光学显微镜(OM) [Leitz met冲x-3]，图像分析仪，扫描电镜(SEM)， FEI, Quanta 200F, ZEISS Model-EVO 18。此外，还用Rigaku Miniflex 600 DTex超x射线衍射仪在加速电压为35kv，电流20A的情况下，使用Mo Ka辐射对铸态合金中的相进行了检测

图2带搅拌铸造附件的立式离心铸造机

2.3二次枝晶臂间距(SDAS)和凝固时间的测定

SDAS是通过识别和测量图像分析仪屏幕上排列整齐的树突细胞群来测量的。然后计算技术作为技术frac14;L / nM, L是线的长度,M是放大,n是树突细胞的数量。由公式可知二次枝晶臂间距，计算得到凝固时间tE:tEfrac14;{技术/}3式中，A为材料相关常数，对于Al- Si7-Mg铝合金，如图11.7所示

2.4硬度和拉伸性能的测量

采用5kg的维氏硬度计对基体合金和复合材料在铸态下的硬度进行了测定。绘制了硬度随径向直径方向距离变化的曲线。对于某一段距离，至少在同一圆弧半径上进行了六次测量，并报告了平均值。拉伸试验在25 C(室温)、150 C和300 C温度下按照ASTM- E8标准，使用研训所-5848拉力试验机进行，十字头速度为0.15 mm/min(对应于工程应变率1103s1)。在特定温度下对FGMs各区域的三个样品进行了测试。测试前，在试验机加热室的测试温度下，将每个试样均质化20 min。

加热室的温度控制在plusmn;5 C使用热电偶放在示例连接到温度控制器控制。加载-位移图和加载-位移数据由设备自带的计算机记录。采用标准方法，从荷载位移数据中计算了真应力和真应变。拉伸试验结束后，利用扫描电镜观察断口表面，了解断口行为(见图1)。

3.结果与讨论

3.1铸态复合材料和基合金的微观组织特征

沿FGMs管径向共观察到三个不同区域的组织，即靠近模具壁的内区、中间过渡区和外区。图2e5为不同Mg wt %基合金和复合材料不同区域的典型光学和扫描电镜图。通过对铸态FGM试样XRD图谱的分析，如图6所示，可以看出两种复合材料中分别存在a-Al、Mg2Si、Si三个相，基体A356合金中存在a-Al、Si三个相。这与图2e5所示的铸态女性生殖器切割微结构一致。然而，由于Al-Fe-Si金属间化合物在复合材料中所占比例较小，因此在XRD分析中没有检测到基体合金A356为a-Al和Al-Si共晶(图2)，枝晶在外层呈碎片状，在内部呈细化枝晶。外区共晶硅细化程度高，内区逐渐粗化。复合FGMs的微观结构(图3e5)主要表现为三个阶段，即初级a-Al枝晶、Si共晶相和Mg2Si。a-Al的外冷区枝晶臂呈碎片状，由于离心力类似于基体合金。内区树突未破碎;只能观察到精炼的树突。从形貌上看，Mg2Si有两种形态，一种是原生块状，另一种是准共晶相。这些Al-Mg2Si的准共晶相是在a-Al的枝晶间区域形成的。伪共晶Al-Mg2Si微组分呈现出“汉字”的特征形态。在铸态合金中观察到的相可以从图7[31]所示的Al-Mg-Si相图中得到解释。

液相线以下的凝固开始于母液中初级a-Al的析出。在准共晶温度以下进一步冷却，导致原生a-Al外围的原生Mg2Si颗粒析出。当达到共晶温度时，Al-Mg2Si与汉字形貌的共晶混合物会在共晶Mg2Si-Al的晶界处按以下反应形成: L/ (Mg2Si) p thorn; L1 / (Mg2Si) p thorn; (Al thorn; Mg2Si) E，其中E为共晶，P为原生，L1为两相区的液体。

Mg2Si原生粒子在管内区的数量较高，而在过渡区则逐渐消失。但在外围区域，观察到少量Mg2Si粒子，如图3e5所示。基体Mg2Si颗粒在不同区域的尺寸和体积分数是凝固时间或SDAS的直接结果。靠近结晶器壁的熔融金属迅速凝固(表2)，瞬间形成大量Mg2Si粒子核。结晶器的成核、生长和运输取决于结晶器与液态金属之间的热梯度。A356-7.5 Mg形成的核数明显高于A356-2.5 Mg FG复合材料。如果液体粘度允许且离心力足够大，则将很大一部分液体移至内区。然而，相当一部分仍然困在外层区域。其他研究人员也在过共晶铝硅镁合金FGMs中观察到了初级Si和Mg2Si颗粒的存在[15,16]。显然，与A356-2.5 Mg相比，A356-7.5 Mg复合FG中的这一比例更高(图8)，因为没有足够的扩散时间，颗粒被细化到5e20 mm的量级。在运动过程中，只要内区保持液态，Mg2Si颗粒就会生长。因为较高的凝固时间,大部分的内区主要Mg2Si粒子观测到规模更大,从10到20毫米(图5)。尽管Mg2Si粒子的细化内部区域的A356e7.5%Mg复合A356e2.5%Mg相比不是很明显的,这可能是由于高铁含量的影响。Emamy等人观察到Fe对Mg2Si颗粒[32]的大小和形貌有显著影响。细化是由于中毒效应，即铁在生长的前额被吸收，限制晶体的生长。

图2：a)基体A356合金径向截面外区、b)中部和c)内区光学组织

表2基体合金与A356e2.5%Mg和A356e7.5% Mg原位复合材料的化学成分(wt.%)

图3所示。a) A356e2.5 Mg FGM的外、中、c)内横截面积d)、e)、f)为相应的放大倍数较高的显微照片。

图4所示。a) A356e7.5 Mg FGM的外、中、c)内横截面

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资料编号：[1404]

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