利用组织遗传性双重变质过共晶Al-Si合金的基础研究

Hypereutectic Al-Si alloys are attractive materials for many commercial applications due to their low density, low thermal expansion coefficient and high wear resistance. They are ideal piston materials. However, with the silicon content increasing, the massive primary silicon and long needle-like eutectic silicon in hypereutectic Al-Si alloys split the matrix and reduce the alloys' performances. So, it is essential for us to modify hypereutectic Al-Si alloys to change morphology and distribution of primary and eutectic silicon phases with an aim of enhancing mechanical properties of the alloys. According to structural heredity, fine-grained structural materials (FSM for short) of the same composition will be added into hypereutectic Al-Si alloys to obtain microstructure with fine primary Si and fibrous modified eutectic Si. DSC analysis will be used to determine the exiting temperature range of genetic factors in hypereutectic Al-Si alloys; SEM, EBSD, hardness test and tensile test will be used to study the effect of the content, adding temperature and holding time of FSM master alloy on the microstructure of Si. Furthermore, TEM and HRTEM analysis will be operated to observe the structure of the genetic factors and to analyze their evolution discipline with holing temperature and time. Model of genetic factor in hypereutectic Al-Si alloys will be made and relationship among FSM master alloy-genetic factor-morphologies of Si phase will be defined through the above analysis results. Mechanism of Si modification using structural heredity in hypereutectic Al-Si alloys will be analyzed ultimately. This study will provide experimental basis via structural heredity in modifying the Si phase of Al-Si alloys which are widely used as piston alloys. In addition, it will supply a novel process and theory for refinement in other alloys.

过共晶Al-Si合金具有线膨胀系数小、耐磨性好、铸件成本低等优良性能，是理想的活塞用合金。然而随着合金中硅含量的增加，初晶Si与共晶Si组织变得粗大。寻求良好的双重变质剂和深入探讨变质机理是过共晶Al-Si合金急需解决的问题。本项目拟利用金属凝固过程中组织遗传的特性，采用将相同成分的细晶中间合金加入到过共晶Al-Si合金原始炉料中的工艺，实现初晶Si和共晶Si的双重细化变质。通过分析Al-Si合金中遗传因子的组织和结构特征，建立遗传因子的模型；通过考查细晶中间合金的制备工艺参数和加入参数对遗传因子及凝固组织的影响，确立细晶中间合金-遗传因子成分和结构-Si相凝固组织三者之间的影响规律，从而揭示组织遗传性双重变质过共晶Al-Si合金的机理。本研究将为组织遗传性在Al-Si合金双重变质中的应用奠定实验和理论基础，对熔体遗传机理的深入理解也将为其他合金的细化处理提供新的有效途径和理论基础。

活塞用过共晶Al-Si合金，随着合金中硅含量的增加，初晶Si与共晶Si组织变得粗大。寻求良好的双重变质剂和深入探讨变质机理是过共晶Al-Si合金急需解决的问题。本项目利用金属凝固过程中组织遗传的特性，采用将相同成分的细晶中间合金加入到过共晶Al-Si合金原始炉料中的工艺，实现了初晶Si和共晶Si的双重细化变质，探讨了变质工艺参数对变质效果的影响规律，研究了细晶中间合金对Si相组织形貌、晶体缺陷的影响规律，建立了Si相遗传因子的结构模型，揭示了组织遗传性双重变质Si相的作用机理，为Si相细化变质处理和丰富遗传学理论提供了新的有效途径和理论依据。本项目按照项目计划书完成了既定研究内容，并取得了一系列有意义的研究成果。.利用PROCAST辅助设计了水冷铜模，结合熔体旋转工艺制备了不同细化组织的FSM中间合金。分别利用上述两种FSM中间合金实现了对Al-17%Si合金中初晶Si和共晶Si的双重变质，并确定了最佳变质工艺。.DSC热分析研究了FSM中间合金变质前后合金升、降温过程中热效应变化。从热力学角度证明了FSM中间合金有利于合金中Si相的形核。.SEM观察研究了合金中Si相变质前后三维形貌的变化，TEM观察研究了合金中Si相变质前后微观晶体缺陷的变化。结合HRTEM对变质后Si相中出现的孪晶和层错等晶体缺陷进行了表征。利用傅里叶变化确定了变质后Si相出现的第二相纳米颗粒成分为Si-Si原子团簇，并进一步建立了其结构模型。.从金属组织遗传性角度，建立了FSM中间合金双重变质初晶Si和共晶Si的机理：FSM中间合金加入熔体后形成了大量不均匀微观Si-Si原子集团，即细晶中间合金的遗传因子，其在凝固过程中优先作为最佳衬底促进初晶Si相的形核；随着凝固的继续，富余的Si-Si原子集团将改善（111）面的生长速度，最终使初晶Si按照TPRE机制生长成较圆整的八面体或厚板状；另外，多余的Si-Si原子集团还将在共晶生长中诱发大量孪晶和层错，使其择优生长方向发生变化，发展出更多分枝形成纤维状。.项目执行期间，共发表学术论文6篇，其中SCI论文3篇（中科院SCI分区1区1篇，3区1篇，4区1篇），EI论文1篇，核心期刊2篇；申请发明专利1项；参加国际会议5次，参加国内会议2次；协助培养硕士研究生1名。