强流脉冲电子束处理诱发的过共晶铝硅合金中粗大初生硅纳米球化机理研究

High current pulsed electron beam treatment is an emerging technology in recent decades because of its simple, efficient and is getting more and more researchers' attention. The refining and shape controlling of coarse primary Si phase in hypereutectic Al-Si alloys has been a difficult and hot point. On the basis of preliminary study, the project proposes that coarse primary Si phase can be refined to nano Si phase by high current pulsed electron beam treatment. Meantime, the shape of coarse primary Si phase can be transformed to sphere-like morphology by adding rare element, and the formation mechanism of nano-nodulizing primary Si phase is studied in detail. On the one hand, effect of the rapid non-equilibrium solidification induced by high current pulsed electron beam on surface nanocrystallization of coarse primary silicon is studied, including nano-silicon evolution process with the number of pulses and energy density, and to establish the appropriate nano silicon formation model; on the other hand , modification mechanism of rare earth elements is analyzed by in situ observation during process of high current electron beam treatment, and the growth path of spherical silicon is analyzed by using rare earth elements as tracers atom, at the same time, the temperature field is calculated by numerical simulation and cooling rate is also calculated. final, the approciate model is established and ultimatedly high strength and toughness hypereutectic aluminum-silicon alloy is manufactured .

强流脉冲电子束是近十年新兴的表面处理技术，因其简单高效而获得越来越多研究者的重视。过共晶铝硅合金中粗大初生硅的细化和形态控制一直是铝硅合金研究中的一个难点和热点。本项目在前期研究基础上，提出采用强流脉冲电子束细化粗大初生硅为纳米硅，同时添加微量稀土元素变质初生硅形态为球形，最终粗大初生硅复合处理后变成纳米球化硅，并对改性后形成的纳米球化硅形成机理进行系统深入研究。一方面研究强流脉冲电子束特殊作用机制诱发的远离平衡态的快速凝固对粗大初生硅的纳米化影响，主要包括纳米硅随脉冲次数和能量密度的演变规律，建立相应的纳米硅形成模型；另一方面采用原位观察方法分析稀土元素在电子束处理诱发的极高冷却速率下的编制机理，并对温度场和冷却速率进行模拟计算，利用稀土元素的示踪作用分析球形硅的生长路径，建立相应的球化模型，最终制得高强高韧过共晶铝硅合金。

过共晶铝硅合金因其质量较轻、强度重量比较高、尺寸稳定性佳、吸震性佳、散热较快、热膨胀系数较低、耐磨耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于汽车发动机活塞等关键领域。但是长期以来，过共晶铝硅合金的微观组织中普遍存在的粗大初生硅，严重地割裂了合金基体，易引起局部应力集中，恶化合金的机械性能，限制了合金的进一步应用。因此，细化初生硅并控制其形貌是提高过共晶合金性能的有效途径。.通过控制凝固条件以及添加微量元素可以实现初生硅形貌的改变以及颗粒尺寸的细化。强流脉冲电子束作为一种先进的表面改性技术，凭借其操作简便、环保、无污染、处理方法灵活、重复性好等优点，引起最近几年众多科研工作者的广泛关注，利用其产生的快速凝固效应可显著改变初生硅的形貌。.本研究采取OM、SEM、EPMA、TEM、EBSD等微观结构表征方法对经强流脉冲电子束处理后的过共晶铝硅合金表面、截面进行了形貌表征，并对最终制备的合金进行了显微硬度、纳米硬度、耐腐蚀性能、耐磨性能、抗拉强度等性能表征。形貌表征结果表明，HCPEB所诱发的冲击波能够破碎处理后过共晶铝硅合金表面的片状共晶硅并诱发合金表面形成纳米铝颗粒，同时在合金截面形成双层超细晶结构，这归因于HCPEB所引发的极大过冷度及较大温度梯度。此外，添加微量稀土元素后，HCPEB处理的过共晶铝硅合金表面粗大初生硅被细化成纳米硅颗粒并发生球化现象，同时合金表面所形成的的熔坑得到有效消除，这归因于添加微量元素所引发的成分过冷效应，稀土元素的表面净化效应以及HCPEB所引发元素扩散效应。性能表征结果表明，经强流脉冲电子束处理过后的过共晶铝硅合金的耐腐蚀性能及力学性能均得到显著提升，相关性能的提升主要归因于非平衡凝固条件下形成的多种亚稳态组织。.本项目通过对球化纳米初生硅的形成机制，熔坑的产生和消除机制以及冲击波、超细晶结构的形成机制等亚稳态组织结构的形成机制的研究，明确了HCPEB技术对于过共晶铝硅合金耐腐蚀及力学性能的显著提升效果。这些机制的研究为HCPEB技术的进一步应用奠定了坚实的理论基础，同时也拓展了过共晶铝硅合金的应用范围，具有重要的科学意义