Zr(RE)P在铝熔体中的反应合成与演变机制

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本文利用高倍视频显微镜(HSVM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、电子探针微成分分析仪(EPMA)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等测试手段系统研究了Al-Zr-P和Al-RE-P中间合金的相组成、含磷相形貌及其演变。优化了Al-Zr-P中间合金的制备工艺;提出了由Si诱导ZrP相演变的两种方式,并分析了Al-Zr-P-Si合金系的液态结构特征;制备了一种新型Al-RE-P中间合金,并对REP相进行了表征;研究了Al-Zr-P中间合金对近共晶Al-Si多元合金变质及强化机制,Al-RE-P中间合金对过共晶Al-Si合金的低温细化处理。本文的主要研究工作如下:(1)Si对Al-Zr-P中间合金相组成及相演变的影响研究发现,当熔体反应温度高于1500℃,且Zr/P质量比不低于4:1时,中间合金中的磷化物主要以形貌规则的面心立方ZrP为主。将Al-Zr-P中间合金加入到Al-Si合金中后,Si原子向ZrP相扩散可促使其发生演变,并在ZrP相界面处形成富Si层以及乏Si层,Si的浓度梯度导致ZrP相的两种转变方式。在乏Si层,ZrP转变生成AlP相及Zr(Al1-xSix)3相;在富Si层,ZrP转变生成AlP相及Zr(SixA1-x)2目。分析了不同Si含量的Al-Zr-P-Si合金系的液态结构,在780℃C及1800℃C时,Zr、P的g(r)曲线第一峰峰值均比Al、P第一峰峰值高;通过对比Al-Zr-P与Al-Zr-P-Si的g(r)曲线,发现Si的加入导致gAlP(r)及gzrP(r)在780℃及1800℃时第一峰峰值发生变化;尽管gzrP(r)的第一峰峰值均比gAlP(r)高,但从偏配位数百分比含量偏差发现,780℃时随着Si含量增加,P周围Al原子数逐渐增多,而Zr原子数却逐渐减少,意味着低温下P与Al之间的结合力更强。(2)Al-Zr-P中间合金对近共晶Al-Si多元合金的变质及强化行为利用正交试验法优化了Al-8Zr-2P中间合金对近共晶Al-Si多元合金的变质工艺参数:变质温度为780℃,保温时间为60min,P加入量为200ppm。在该变质处理条件下,初晶Si分布均匀,其尺寸可以细化至11.6μm;并发现经Al-8Zr-2P中间合金变质的Al-Si合金拉伸强度高于经Al—3.5P中间合金变质的Al-Si合金,室温及高温拉伸强度分别提高10.1%和4.4%;进一步研究发现,经Al-8Zr-2P中间合金细化后,近共晶Al-Si多元合金中的初晶Si尺寸更加细小,同时Zr起到使合金相的形貌分布更为均匀以及固溶强化的作用,以上三点均可以不同程度地提高Al-Si合金的强度。(3)Al-RE-P中间合金的相表征及应用制备出一种新型的含有LaP、CeP以及LaxCe1-xP的Al-RE-P中间合金,发现Al-lLa-4Ce-1P、Al-2La-3Ce-1P、Al-2.5La-2.5Ce-1P、Al-3La-2Ce-1P和Al-4La-lCe-1P中的P化物随合金成分而发生演变,分别为La0.25Ce0.75P、 La0.42Ce0.58P、La0.5Ce0.5P、La0.5sCe0.42P和La0.75Ce0.25P,随着LaxCe1-xP中x值增大,其晶格常数a值与晶面间距d值也相应增大。研究还发现,向Al-5La-lP中间合金熔体中引入Si可促使LaP相原位转变为AlP相及(Al, Si, La)相,随着Si含量的变化,(Al, Si, La)相的组成及形貌也发生改变:加λ3%Si时,(Al, Si, La)相为Al5Si2.5La,而当加λ6~18%Si时,(Al, Si, La)相为Al2Si2La,且其形貌由针片状变为块状,最后为针条状。研究了Al-La-P中间合金对A390合金的低温细化处理,发现在730℃保温60min时,初晶Si平均尺寸约为19.6μm,从而实现了Al-Si合金压铸的低温细化处理。
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