纳米陶瓷颗粒对高硅铝合金中初晶硅生长行为的影响

The modification of morphology, size and distribution of primary silicon is crucial to improving the performance of high silicon aluminum alloy. In this project, Al2O3 and TiCN ceramic nanoparticles (NPs) are utilized as modifiers to achieve the modification of primary silicon through the control over its growth, giving rise to the refined, spherical and uniformly-distributed primary silicon particles. The influence of nanoparticle type, size, morphology, addition level and temperature on the modification effect is systematically studied. The key factors in determining the NP distribution are analyzed. X-ray imaging with synchrotron radiation is employed for the in-situ study on the growth behavior of primary silicon induced by NPs. The mechanism underlying the NP modification is revealed. An analytical model is established to account quantitatively for the NP effect on the primary silicon growth. The effect rules of nanoparticles on the microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloy are discussed. The quantitative relationship among the processing parameters, microstructure and mechanical properties are clarified. The technological prototype of the NP-modified hypereutectic Al-Si alloy is achieved. The project will lay the technological and theoretical foundation for the modification of primary silicon by NPs, enrich the theoretical system of crystal growth and provide technological and theoretical support for the development of high-performance hypereutectic Al-Si alloy.

对初晶硅进行变质处理，改善初晶硅的形貌、尺寸及分布形态是提高高硅铝合金使用性能的关键。本课题提出利用Al2O3和TiCN纳米陶瓷颗粒作为变质剂，通过控制初晶硅的生长过程，实现初晶硅的变质，获得细小、圆整且分布均匀的初晶硅颗粒。研究纳米颗粒类型、尺寸、形貌、加入量及加入温度对过共晶铝硅合金中初晶硅变质效果的影响规律；分析决定纳米颗粒在合金组织中分布形态的影响因素；利用同步辐射成像技术对纳米颗粒影响下初晶硅的生长行为进行原位分析；揭示纳米颗粒变质初晶硅的微观机理；建立纳米颗粒影响初晶硅生长的理论模型；探索纳米颗粒对过共晶铝硅合金微观组织及性能的影响规律；明确变质工艺参量、微观组织结构与合金宏观性能之间的定量关系；获得纳米颗粒变质过共晶铝硅合金的技术原型。本项目将奠定纳米颗粒变质过共晶铝硅合金的技术和理论基础，丰富晶体生长的理论体系，为制备高性能的过共晶铝硅合金提供重要的理论和技术支持。

高硅铝合金因为其优异的热膨胀性能和摩擦磨损性能广泛用于各种汽车零部件和电子封装材料中，但是其组织中粗大复杂不规则的多面体状的初晶硅和大的层片状共晶硅组织严重降低了材料的性能，对硅相的细化和变质的效果将直接决定着材料的性能，如何获得细小并且规则的块状初晶硅和细小呈纤维状的共晶硅是研究的重点。.由于化学变质剂的瓶颈和毒化作用，使得高硅铝合金的硅相的细化和变质面临诸多挑战，因此本文使用γ-A2O3纳米颗粒结合高能超声处理装置使其加入到Al-20Si合金中，实现了纳米颗粒对于硅相的细化和变质，并进行了机理分析，发现了γ-A2O3纳米颗粒对于初晶硅和共晶硅的生长过程中都有物理抑制作用，显著降低初晶硅的形核过冷度，同时还可能作为初晶硅的异质形核核心，随着γ-A2O3纳米颗粒添加量的增多，初晶硅从未变质的66.2μm细化到26.7μm，尺寸细化效率达到59.7%，长径比也从2.5降低到1.54，改善了初晶硅的形貌和在基体上的分布，共晶硅的长度也从67.5μm降低到了26.1μm，细化效率达到60.4%；材料的硬度、抗拉强度和延伸率从57.1HV、102.4 MPa、0.6%，分别提高到了88.1HV、152.8MPa、1.72%，热膨胀性能也显著降低，材料的磨损率从5.30×10-3mm/m降低到2.26×10-3mm/m，降低了57.4%，其磨损机制也从剥层磨损向黏着磨损和磨粒磨损转变。同时研究了冷却速率对于纳米颗粒增强Al-20Si复合材料的影响，发现在110K/s的高冷速下，纳米颗粒仍然对初晶硅具有显著的细化效果，此时Al-20Si复合材料的初晶硅平均尺寸达到最小为15.8μm，长径比为1.28，共晶硅长度为4.6μm，相比15K/s的冷速下初晶硅的细化效率达到37.8%，共晶硅的细化效率达到80.3%，并且发现了纳米颗粒在高冷速下可以诱发共晶硅产生更多的孪晶分支，从而使得共晶硅呈现纤维状结构。复合材料的力学性能达到最高，其硬度、抗拉强度和延伸率分别为125.HV、178.5MPa和2.4%。本项目奠定了纳米颗粒变质过共晶铝硅合金的技术和理论基础，丰富了晶体生长的理论体系，为制备高性能的过共晶铝硅合金提供重要的理论和技术支持。