无凝固收缩铝-硅合金的形成规律和细化机理研究

金属凝固时的体积收缩是造成铸件产生缩孔和缩松等铸造缺陷的根源。避免产生铸造缺陷的方法是用冒口进行补缩。这造成了原材料、能源和人力的巨大浪费。研制凝固时不发生体积收缩的新型铸造合金经济意义和社会意义重大。本项目研究的主要目的是：通过对不同金属熔体条件（热历史、合金化和细化元素）下铝-硅合金中初生硅结晶过程的动态观测、旋淬试样的组织分析、涉及凝固的物理化学参数（结晶潜热、扩散系数和扩散活化能）的实验测定及相关的分子动力学模拟，建立金属熔体条件与合金形核和生长特性之间关系的理论模型，揭示熔体温度处理细化合金组织的机理；解决长期以来国内外因不清楚熔体温度处理机理，而不能对其过程进行准确定量控制所引起的细化效果不稳定的问题。在此基础上，通过研究熔体温度处理、合金化和细化元素与铝-硅合金凝固收缩率、凝固组织及力学性能的关系，开发出性能稳定初生硅尺寸小于10微米的无凝固收缩铝-硅合金。

本项目通过对不同金属熔体条件(热历史、合金化和细化元素)下铝-硅合金中初生硅结晶过程的动态观测和凝固参数的实验测定与分子动力学模拟，揭示熔体温度处理细化合金组织的机理。通过研究熔体温度处理、合金化和细化元素与铝-硅合金凝固收缩率、凝固组织及力学性能的关系，开发出性能稳定初生硅尺寸小于10微米的无凝固收缩铝-硅合金。.取得的主要进展和成果有：.(1)过共晶Al-Si合金的凝固收缩率随硅含量的增加而减小，硅含量超过25%时则导致合金发生体积膨胀。凝固收缩率为0的成分点为Al-23.6%Si。随着硅含量的增大，液相线温度的摩尔体积先减小后增大。硅含量为12.6%~25%时，Al的偏摩尔体积随硅含量的增加而增大。.(2)Al-24.2%Si合金的凝固收缩率与熔体热历史密切相关。保温时间相同时，过热温度低于200 ℃时，增加过热温度引起凝固膨胀率增大；过热温度高于200 ℃时，增加过热温度引起凝固膨胀率减小。过热度均为100 ℃和200 ℃时，体积膨胀率随保温时间的增加而增大；但当过热度增至250 ℃时，其体积膨胀率随保温时间的增加而先增加后减小。.(3)只有在同时加P、RE并采用熔体处理时，无凝固收缩Al-Si合金的初晶硅才能被显著细化至10 μm左右。添加0.2%Cu-P+0.175%RE并经熔体温度处理后，其抗拉强度和布氏硬度分别高达297 MPa和145，较处理前提高了58.8%和41%。.(4)熔体热历史可以显著改变Al-80%Si合金中的凝固特性。随过热温度升高和保温时间延长，形核过冷度增大，初生硅尺寸减小、分布更加均匀。.(5)添加RE显著改变Al-80%Si合金中初生硅生长方式转变的临界过冷度T1和T2，而添加P并未显著改变T1和T2。随着RE加入量的增加，T1和T2逐渐减小，添加1.5%RE的合金其T1和T2降至最低；再继续增加RE加入量，临界过冷度趋于平稳。.(6)分子动力学模拟表明，Al及Al-Cu合金扩散系数随熔体初始温度的降低而减小，表明熔体热历史对扩散系数影响显著。.(7)Al-70%Si合金中初生硅的起始凝固都是从某一点开始，随后生长过程中形核在界面继续发生。小过冷度下，初生硅生长速率随时间增加而减小，而在大过冷下，其形核率随时间增加而减小。.(8)分子动力学模拟结果表明，Cu、Ni熔体中生长的晶体、临界晶核和晶