Zn-Al-Si 系合金羽毛状晶的形成及细化机理的研究

本项目拟针对Zn-Al-Si系耐磨合金中二维羽毛状晶叠加层片组织的形成、Si相的变质变质和羽毛状晶的细化处理中出现的三个问题进行研究：①围绕Si对晶体中孪晶的形成和生长方向的改变，研究因Si元素的加入，导致Zn-Al合金的晶粒由等轴晶变为二维羽毛状晶的本质原因；②从P元素对形核、长大的影响，探讨P在变质Si颗粒的同时，也使羽毛状晶得到一定程度的细化的作用机制；③提出了用Zr-RE细化该羽毛状晶的复合细化新思路，重点探讨RE元素在合金凝固中的分布、存在形式对Si元素行为的影响及其与晶体生长、最终粒形态、尺寸间的关联本质,研究合金中各元素间的交互作用对晶体生长、晶粒形态的影响机制，为该合金的Zr-RE复合细化工艺提供可靠的理论依据。.本项目的研究，不仅对澄清包括Al合金中常见的三维羽毛状晶的形成机理具有重要的理论价值，而且对Zn-Al-Si系耐磨材料的推广、应具有重要的实用价值。

本项目针对Zn-Al-Si系耐磨合金中二维羽毛状晶叠加层片组织的形成、Si相的变质变质和羽毛状晶的细化处理中出现的三个问题进行研究,主要研究：①因Si元素的加入，导致Zn-Al合金的晶粒由等轴晶变为二维羽毛状晶的本质原因；②探讨P在变质Si颗粒的同时，也使羽毛状晶得到一定程度的细化的作用机制；③探讨Zr-RE复合细化的机理。而实际的研究内容和主要结果包括: ①Si元素的加入不是导致Zn-Al合金形成羽毛状的因素,反而因Si颗粒形成放的大量热量致使温度梯度减小以及Si颗粒对枝晶生长的机械阻碍，阻碍了羽毛枝晶的形成。二维层片羽毛枝晶的形成是由于Si的添加致使浇注温度、进而使温度梯度增加所致；②变质剂P元素的加入因细化了Si颗粒，进而减弱了其对晶体生长的阻碍作用；③高的浇注温度、大的的模具急冷能力、小的铸锭直径均能促使初生晶从正常的等轴晶变为羽毛状晶，其原因是这些因素均是温度提高；④初生晶晶臂生长初期通常有六个生长方向，但通常只有四个得以发展最终形成羽毛晶的四排晶臂。在这四排晶臂中有一对位于（111）挛晶面，另一对与挛晶面呈70.5º的夹角，而这两对晶臂均与枝晶干呈60º的夹角。其中位于挛晶的通常会优先发展，最终形成只有一对晶臂的二维羽毛状晶；枝晶臂的生长选择主要受热流和生长空间的影响；⑤羽毛状晶的形成过程可分为三个阶段：形核与生长，该阶段与传统的正常晶一样；生长方向的改变，在此阶段或是因温度梯度、溶质元素、对流等致使其生长方向从正常的<100> 变为 <110>向且形成挛晶；层片状羽毛晶的形成；⑥无论是金属型铸造还是定向凝固，随着Cu或Mg元素含量的增加，均使α-Al晶体从胞状晶依次转变为柱状晶、柱状树枝晶、发达的等轴晶。变化的原因归结于溶质含量增加带来的成分过冷。随着Cu含量的增加，晶体的生长逐渐转向<110>，但此时的晶体并不属于羽毛枝晶。对于Al-Mg合金，定向凝固下的胞状晶或柱状晶均比金属型铸造的直且平行度高，而且也有直和弯曲的晶界这一羽毛枝晶特有的特征，但其也不属于羽毛枝晶；⑦对于Zn-Al-Si合金中发达的α-Al枝晶可采用Zr-RE复合细化工艺，添加0.2%Zr+1.0%RE可使晶粒从上千微米减小到50微米。其细化机理是Zr为异质形核的基底，而RE富集于固液界面阻碍生长。可见，从研究内容上，已经超额完成了本项目的预定任务。