梯度功能复合材料

采用铸造-倾析-铸造技术制备A390/A356铝合金Abstract：功能梯度复合材料时过热和凝固层厚度对其

界面接合的影响Abstract：Thecast-decant-castisanewmethodforthepreparationofthefunctionallygradedcomponentsthathasbeendevelopedinrecentyears.Thefunctionallygradedcylindricalshapecomponentwitharadialgradient,e.g.thefirstalloy(A390)withhighwearresistanceonthesurfaceofthepieceandtoughnessandthesecondalloy(A356)oflowmachiningcostsinthecoreofthepiececanbeproducedviathismeltprocess.Theeffectofthesecondalloysuperheatattemperaturesof750,820and860°Caswellastheeffectofthefirstalloysolidifiedlayerat25,35and45sdecantingtimeonachievingtheperfectinterfacebetweenthetwoalloyswasinvestigated.Thecharacterizationoftheinterfacewascarriedoutbyopticalmicroscopyandscanningelectronmicroscopy,anditswidthwasmeasuredbythemicrohardnesstest.Theresultsshowedthatthebestinterfacewasobtainedat860°Cand35sdecantingtimewithawidthof500|jm.Also,thewearesistancetestwasperformedtomeasureandcomparethesurfacewearresistancetothecore.Keywords:A390alloy;A356alloy;functionallygradedmaterial;cast-decant-castprocess摘要：铸造-倾析-铸造技术是近年来发展起来的一种制备功能梯度材料的新方法。采用这种方法制备在径向具有梯度功能的圆柱形试样，其外表层为具有高耐磨性的A390铝合金，芯部为具有较高韧性和加工性能的A356铝合金。研究芯部熔体在不同过热温度（750，820和860°C）和表层在不同倾析时间（25，35和45s）下的A390/A356铝合金界面接合情况。采用光学显微镜和扫描电镜对界面进行表征，对界面区的显微硬度进行测量。结果表明，在过热温度为860°C，倾析时间为35s的条件下，可以获得一宽度约为500以m的接合良好的界面层。比较了试样表面层和芯部的耐磨性能。关键词：A390铝合金；A356铝合金；功能梯度材料；铸造-倾析-铸造技术1引言工程中的许多组件需要材料的对立特性，如质轻和耐磨，耐磨性和可加工性，横截面的硬度和韧性等。梯度功能材料（FGM）填补了这种材料科学的缺口，就是组件需要在不同的位置有不同的属性和实现均相横截面的最优属性的材料。功能梯度材料是成分和显微结构沿厚度变化的材料［1］。在最近的几十年里，一些熔融工艺已被用于批量制作功能梯度材料。最常见的方法是离心铸造［2］，功率超声铸造［3］，沉降［4］，磁分离［5］和熔体渗透［6］。2005年，都柏林大学开发了生产功能梯度轻合金铸造的新技术；该技术被称为铸造-倾析-铸造（CDC）技术。SCANLAN等人确定了三个与CDC（铸造-倾析-铸造）进程相关联的技术：转向，内部倾析和低压技术。通过这些方法生产的功能梯度材料，已被用于生产下面的模型。首先将铝合金引入模具，让部分凝固在模壁或核心，以形成一层。当该层得到所需厚度，慢慢倒出剩余的第一种合金未凝固的部分和第二种合金，然后引入模具。每个加工工艺共同的步骤是倾析。这项工作的主要目的是制造一个在一个表面上径向梯度变化具有高的耐磨性和硬度的Al-Si合金的FGM活塞，在另一个表面上或在一块的核心具有高切削性和韧性。生产Al-Si合金的FGM活塞的研究已经通过另一个工艺，如离心铸造。然而，当CDC（铸造-倾析-铸造）过程有能力生产径向梯度的功能梯度材料，这一过程，尤其是转换工艺，已经用于该项研究。有关其产品和其他功能梯度材料产品主要关注的是实现不同层或合金是由推定的方法或传输方式产生不同层或合金之间的完美界面。研究人员还没有详细地报告这一过程。这可以通过第二合金过热度的影响及第一合金凝固层的影响实现理想的界面和宽的过渡带。因此，在本工作中，关于实现理想的界面与上述参数的影响进行了研究。同时，热分析是探讨一个可靠的和可重复的方法进行的测量第一合金凝固层的固相体积分数。2实验2.1材料和设备该项目的重点是使用的Al-Si合金可以结合许多上述对立的的材料特性。两种合金分别采用：第一，A390铝合金，过共晶Al-Si合金;第二，A356铝合金，一种亚共晶Al-Si合金。两种合金的化学成分见表1。A390铝合金是一种坚硬，具有耐磨性硅含量~16%的合金。A356铝合金是一种硅含量为7%的更为强硬的材料。这种技术的装置是一个简单的圆柱型的侧手柄st37钢用，如图1所示。手柄能使模具倒立。Table1Conipo&iti。］】ofA390andA356alloysAlloy-Composition(massfraction)/%SiFeCuMnMgZnAlA39015.340.64.520.0390.580.89BaLA35670J0.20J0400.1BaL

17/517/52.2表征微观结构的表征是使用光学显微镜进行（0M）和扫描电子显微镜（SEM）。能量色散X射线光谱（EDS）被用来分析界面，研究硅梯度。17/517/52.3显微硬度和耐磨性显微硬度试验是从一个距离界面区100〃m的间隔的右侧和左侧的进行，以确定所述过渡区的宽度，并测量其中存在的硅含量和微观结构的梯度。干滑动磨损试验是以测量和比较的表面耐磨性为核心在25m皿的立方体样品用销-盘磨损试验机进行的。应该考虑的是0.25m/s的滑动速度，50N的载荷和1000米的磨损距离。磨损的单位是磨损质量（毫克）。磨损表面用扫描电子显微镜观察。2.4热分析使用高速数据采集系统（模拟-数字（A/D）转换器）连接到笔记本电脑收集该温度-时间数据。在这项工作中使用的A/D转换器有一个敏感的16路通道的16位转换器，他的响应时间0.02秒，检测精度高。K型热电偶用来测量熔体合金凝固过程中的温度。热电偶位于从模具底部25毫米高度的永久模具中心的位置。模具预热温度至200°C。CDC（铸造-倾析-铸造）的过程的熔融情况是，A390铝合金的熔点在750°C。使用热分析软件和Excel软件绘制冷却曲线和一阶导数曲线。在这项工作中，热分析技术被用来量化A390铝合金凝固过程中的固相分数。从凝固试验样品放出的热量可以用以下一阶导数曲线和零线（基线）之间的面积来计算［9］。固相分数的热量成比例。因此，外部合金凝固层可以通过热分析技术获得相关是固相分数。值得注意的是，热测试分析仪是在恒定温度下被用于找到外部合金（A390铝合金）的凝固层厚度。计算的精度在很大程度上取决于零点曲线评估。本文基于巴洛和斯特凡内斯库采用的牛顿模型给出零点曲线的计算分析。因此，为了确定固相分数，需要绘制冷却曲线（CC），一阶导数曲线，和零点（ZC）曲线。最后，通过以下公式计算是固相分数的数值：

dfJqqdt2.5步骤为了探讨过热度对两种合金的界面之间的影响，A390铝合金作为第一合金，A356铝合金作为第二合金在750°分别在两个单独炉和不同的过热温度750，820和860°C被熔融。该步骤是通过以下方式进行。首先，将A390铝合金倒入模具中，然后使其固化，在模具的侧壁形成一层。层厚度随时间向中心增加。当该层达到所要求的其被认为是浇注熔融后固化时间是35秒厚度，为了从模具中除去未固化的A390铝合金用手柄将模具倒置。含有一层A390铝合金的模具固化反对侧壁回到了直立位置。然后，将剩余的A356铝合金在750，820和860r的不同过热温度倒入中央空腔。这导致了填充件的芯与该表面的有不同的合金。足以影响界面形成的另一个重要的参数是模壁凝固层厚度。为此，利用热分析的结果作为固体的体积分数，我们认为三次倾析的时间是25,35和45S。宏观的样品如图2所示。应该说，根据以往的研究结果当其它条件不变时，A356铝合金的过热温度是860。6通过这种方法，提高表面的高硅A390及减少低硅A356为核心，生产梯度硅构件。值得注意的是倾析和第二合金之间的浇注必须达到足够短的时间，以实现良好的金属粘合，没有任何无效的氧化膜。dfJqqdtFig.2Fig.2Macrographsofcross-sectionofsamplesproducedat25,35】45sdecantingtime3结果与讨论3.1过热温度的影响在不同的过热温度制备的样品的界面的宏观形貌和显微照片如图3所示。可以看出，在过渡区域中的两种合金相互粘合。在这个区域中的A390铝合金在左侧和A356铝合金在右侧。在不同过热温度下采取了样品的宏观形貌，以显示第二铝合金A356）的颗粒尺寸。在图3中，显然所观察到的晶粒尺寸随过热温度的升高而增加。以750°C的过热温度，尚未获得理想的界面和良好的金属粘合。

尽管750r的过热温度，两种合金在820°C下能完全结合，但如图3(e)所示的显微组织，这两种合金似乎没有互相均匀混合，并且在过渡区域中获得了薄弱界面。然而，在过热度是860C时(图3(C，F))，产生了理想的完全混合的界面。结果发现，为了实现了良好的粘合，高温熔融的第二合金至关重要，因为第二合金的高过热状态导致了内层部分凝固合金的再熔融，并与第一合金的液体混合。Fi加3Macro^r-apbs(日，虬c)andmicirogT叩h§e,f)ofinterfaceofssniplesproducedatdiElerentsupeftiests:［电d)750°C;fb.el820十fc-860气最初的合金重熔过程中过渡区微观结构的特点是通过以下方式确定的。主要因素是硅含量从表层到中心逐渐降低。结果，靠近凝固层的第二合金中Si含量的增加，固化时，如图4所示，由于相邻的凝固层有较高的凝固速率，它有了一个新的含有细晶和初晶Si的结构特点。两种合金从侧面合金的显微组织可以区分的区域称为过渡区域。强化的过共晶合金Si粒子和树枝状的过共晶合金a(AI)之间的距离确定了过渡区的宽度。基于上述实验结果，可以得出结论，该过程具有产生从高硅A390的表面到低硅A356表面或在其核心的硅组分和体积分数梯度变化的的能力。如图4(a)示使用翻转技术制备的Si含量的梯度。右侧显示了A390铝合金，其中初晶Si很丰富，并且通过移动到左侧，初晶Si的数量和密度逐渐降低。同时，为了确定Si，Al和Cu元素的变化，在界面区进行如图5的线扫描分析。结果表明，如图4(b)所示从左到右Si含量呈上升趋势和Al合金的含量呈下降趋势。

Fig.点()M(3)andSEM(b)micrographsDfintcrihc^otsamplepre-paredalS60flCsiipeTtveajtUisl4iTiLepmFig-5Resultoflinescananat>'sisot'inlcrlscetbrSi.,Alt'uelements3.2热分析如图6所示，一个典型A390铝合金的的冷却曲线，和与零曲点线相关联的一阶导数曲线。Fig-6Cablingcurve(sjandfirst,derivativeassocEitedwi山zerocutvm(b)fbrA39*Dsllay根据牛顿模型计算了固相分数。固相分数分别为23.65%,43.42%和63.35%(体积分数)的倾析时间分别约为25,35和45秒。应该说，开始和最后凝固发生的时间分别约为10s和100s。3.3凝固层的影响不同的固相体积分数的变化导致了反对模具壁的不同的固化层。厚度为5,10和20毫米的不同固化层的倾析时间分别为25,35和45秒。模具壁的凝固层可以直接影响第二合金液体的热传导，从而导致两种合金之间的过渡区的微观结构特征和宽度改变。如图7所示制备倾析时间为25,35和45秒的样品的过渡区的显微照片。如图7(a)所示，倾析时间是25s时，不能得到两液体合金之间完全混合的理想界面。

当固化层很薄时，凝固层的温度迅速下降。第二合金液体的热传导是由钢模具壁控制的。因此，第二合金液体凝固，没有时间部分重熔第一合金，并与它混合。如图7（b）所示为倾析时间为35秒的的样品。据观察，两种合金互相混合得到理想的界面。此外，在微观结构的平滑梯度过渡区的宽度很大。至于倾析时间是45s的样品如（图7（c））所示，据观察，已经实现完全混合的两合金液体之间的理想界面。与倾析时间是35s的样品比较，似乎过渡区的宽度较窄。此外，在Si粒子和微观结构梯度并不光滑。在倾析时间45秒时，未固化液体留在中心部分;因此，这需要少量的第二合金液体，倾析出未凝固液体后以填补剩余的中央腔。结果，由于热容量是一个广泛的属性，第二合金的热流量在这种情况降低。因此，部分重熔凝固层得到了较低的能力，产生较少量的混合，以及在过渡区低硅含量的渗透。3.4显微硬度和耐磨性显微硬度结果如图8。它表明对应Si的含量的变化，从外层高速120到内层高速75的硬度也随之变化。但在中间层，硬度急剧增加。由于相邻的液体的凝固速率高于凝固层，这关系到更精细的显微结构。在过渡区倾析时间35秒的样品的硬度变化宽度为500pm，而倾析时间为45秒的样品硬度变化宽度为200pm。这证实了不同的倾析时间样本的过渡区的微观结构特征。此外，据观察，与倾析时间为35秒的样品相比，倾析时间为45秒的样品的硬度变化从过渡区到中心是渐进的。可以推断出另一点是，在第二合金（A356）附近，硬度有更

多的变化。结果表明，当凝固层重融并与第二合金混合时，从高硅合金到低硅合金发生了硅Fig.NMi^rohsrcfnessprofileofinlcrfaccofsamplespreparedwith35and45scfccmingtime耐磨性的试验结果如图9所示。可以看出，表面的耐磨性明显高于芯部。InnerlavcrOuterhyerFig,9EfaarresisianceorcmnpnneniiuouterandinnerInnerlavcrOuterhyerF