过共晶铝硅合金初生硅生长机制及其在压铸工艺条件下形貌尺寸及分布的控制

Hypereutectic Al-Si alloys have a series of advantages like high fluidity, low thermal expansion coefficient and excellent wear resistance, and have a broad application prospects in automobile components such as cylinder blocks and pistons. The morphology, size and distribution of primary silicon particles (PSPs) in hypereutectic aluminum-silicon alloys have a significant influence on the strength and wear resistance property of the final products. Therefore, the study on the growth mechanism and the regulation and control approaches for the PSPs are of great significance for alloy development and industrial applications. With the help of three dimensional computed tomography (CT) technology, this project will focus on the primary silicon particles in different aluminum-silicon alloys and characterize the morphologies of the primary silicon particles. Besides, the growth mechanism and the effect alloying elements on the primary silicon particles will be investigated. At the same time, the relationship between the die casting technology and the morphology, size and distribution of the primary silicon particles will be obtained after a series of die casting experiments. Based on the analyses of the microstructure and mechanical performance of die-cast hypereutectic aluminum-silicon alloys, the intrinsic connections among microstructure, processing and property will be established. By exploring the control of the morphology, size and distribution of the primary silicon particles in the hypereutectic aluminum-silicon alloys, this work will provide theoretical and technological guidance for the process optimization and industrial applications.

过共晶铝硅合金因具有良好的流动性，低热膨胀率和高耐磨性的优点，在汽车发动机缸体及活塞等车用零件中具有广泛应用前景。该合金微观组织中分散的初生硅组织的形貌、尺寸及分布，对合金最终的强度和耐磨性有重要的影响。因而，研究初生硅组织生长机制及调控手段对过共晶铝合金开发及生产应有具有十分重要的意义。项目将针对不同过共晶铝硅合金中初生硅组织，结合三维断层扫描成像技术（CT成像技术）进行初生硅形貌的表征，建立不同形貌初生硅的生长机制及合金元素对初生硅组织的影响规律。研究过共晶铝硅合金压铸工艺参数对初生硅组织形貌、尺寸及分布的影响规律，以及压铸过共晶铝硅合金微观组织与力学性能的关系，建立微观组织-工艺参数-力学性能三者之间的内在联系。探索压铸过共晶铝硅合金初生硅形貌、尺寸及分布的工艺控制，为优化工艺参数和促进实际应用提供理论及工程指导作用。

对于过共晶铝硅合金来说，微观组织中分散的初生硅组织的形貌、尺寸及分布，对合金最终的强度和耐磨性有重要的影响。本项目针对过共晶铝硅合金，结合X射线三维表征技术，对其中的初生硅组织进行了重点的实验表征。课题重点研究了常规铸造下初生硅组织形貌、尺寸特点，提出了初生硅球状形核，多面体转换和继续长大的多阶段生长新机制，完善了初生硅的生长机制理论，对过共晶铝硅合金微观组织的认识进一步深入。此外，针对压铸态过共晶铝硅合金Al17Si4.5Cu初生硅的形貌、尺寸与分布特点进行了系统研究，发现了压铸态合金中初生硅在形貌上的异常与环状硅带的组织分布特征并探讨了形成机理，建立了微观组织与力学性能之间的联系，该结果将对压铸过共晶铝硅合金的组织特点与形成过程提供了更多的理论指导。针对以上研究，开发设计了不同成分的压铸过共晶铝硅合金（Al17Si2.5Cu和Al20Si2.5Cu），重点研究了合金成分对压铸过共晶铝硅合金微观组织（尤其是初生硅）与力学性能的影响规律，建立了合金元素—微观组织—力学性能的影响规律，为压铸过共晶铝硅合金的设计与优化提供指导。随后，研究了压铸工艺（低速速度、高速速度、浇注温度、模具温度）对压铸过共晶铝硅合金微观组织（尤其是初生硅）与力学性能的影响规律，建立过共晶铝硅合金压铸过程中工艺－微观组织－力学性能之间的关系，为压铸合金的工艺选择与优化提供了可行的策略。最后，针对研究成果，以Al17Si2.5Cu试制了高硅铝合金缸体并得到了较好的综合性能，为生产高性能铝硅合金产品奠定基础。