超高硅铝合金中硅相的细化与界面性质研究

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1、山东大学博i：学位论文——超高硅铝合金中硅相的细化‘j界面性质研究摘要过共晶A1．Si合金由于具有高的比强度和良好的铸造性能，得到了广泛的应用。制约过共晶A1．Si合金应用的关键是初晶Si的尺寸和形貌。对于含Si量大于50wt．％的A1．Si合金，初晶Si异常粗大，导致难以应用。超高硅铝合金在电子封装等领域具有特殊的用途；并且具有高的硬度和良好的耐磨性等优良性能，因而具有潜在的应用价值。因此，开展超高硅铝合金的晶粒细化研究具有现实意义。在细化机理方面，现有文献局限于晶格错配度理论，缺乏从原子层次上研究异质形核界面的结合情况，而这对于进一步揭示细化机理有

2、理论意义。本文利用高倍视频金相显微镜(HSVM)、电子探针显微分析仪(EPMA)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差式扫描量热仪(DSC)、高温熔体X射线衍射仪等测试手段研究了采用Si．20P中间合金细化超高硅铝合金的规律；采用高性能计算软件MaterialsStudio，用第一性原理研究了超高硅铝合金细化过程中涉及到的几种物相：TiC、AlP、Si和Al，研究了这4种物相的体性质、表面性质和它们之间的界面性质，研究了界面附近原子问的结合情况。考虑到吸附行为在形核初期的重要性，还研究了Si原子在AlP表面的吸附问题。主要研究工作和结果如下：

3、发现采用新型Si．20P中间合金可以有效细化含Si量在30．70wt．％范围的铝合金，使初晶Si尺寸由2-6mm细化至30．50pm。在Sj含量达到50wt．％时，所需要的临界细化温度和临界加P量都存在突变现象，Si含量小于50wt．％时，细化所需要的最小过热度△‰i。小于100K(ATmi。=Tmm．TL，Tmi。为临界细化温度，孔为液相线温度)；而当Si含量大于50wt．％时，细化所需要的最小过热度△％in基本上为恒定值260K。利用高温熔体X射线衍射仪研究了AI．50Si合金熔体微观结构随温度的变化，发现上述突变现象与其熔体微观结构随温度的演化有

4、关。通过对熔体的相关半径、团簇平均原子个数和配位数等的比较，发现在低过热熔体中，团簇的尺寸明显增加，而配位数增加幅度较小。即在较低的过热温度下，熔体中存在中程有序结构特征，因而不能达到良好的细化效果。在结构因子图中，当Al和Si的特摘要征峰均不明显时，方可达到良好的细化效果。提出了细化超高硅铝合金的两种新方法，可以有效细化含Si量高达70wt．％的铝合金。一种是采用Si．20P中间合金细化，并根据试验数据得出了临界细化温度和临界加P量的经验公式；第二种是运用TiC／AlP复合粒子形核的原理，采用Si．20P中间合金和适当配比的A1．Ti02一C粉末压块

5、体来细化，这样不仅可以提高细化效果，而且较前一种方法降低所需熔体温度100K左右。在细化后的初晶Si内部观察到TiC／AlP复合粒子，分析了AI．Ti02．C混合粉在熔体中的反应过程以及原位生成的TiC粒子与AlP的相互作用。观察并分析了Si．20P中间合金在铝熔体中的反应、扩散、长大和溶解过程。(1)该中间合金中的SiP与铝熔体发生反应生成颗粒状的AlP聚集体，随保温时间延长颗粒状AlP发生扩散并长大为条状；(2)熔体经历高温以后，条状AlP发生溶解，凝固后析出成短针状。AlP在A1．Si合金中可能的存在形态有：颗粒状、短针状、长条状和粗大的板片状，

6、不同形态的AlP对初晶Si细化的促进作用亦不相同。细小弥散分布的AlP对初晶Si的细化最为有利，而熔体中存在粗大或板片状的AlP则使生成的初晶Si非常粗大。由于AlP很容易在抛光或放置过程中与水蒸汽发生反应，故在文献中常看到的初晶Si内的AlP相，实际上是氧化后的含P相。本文采用特殊方法制备了未氧化的试样，在背散射照片中观察到未氧化的AlP相，它与初晶Si的颜色基本一致。用差热分析仪对细化前后的AI．50Si合金进行分析发现，加P细化后的合金初晶Si的析出温度明显升高，形核过冷度显著降低。通过调整凝固条件和加P量，可以改变初晶Si的生长形貌，使超高硅铝

7、合金中的初晶Si也可存在类似共晶Si变质后的珊瑚状形态。研究了ALP(100)、(110)署I(1“)面原子层数从2层到6层变化时表面能的变化，AlP的(100)、(110)和(111)面分别达到3、4、5层以后，表面能即不再明显变化，此时已经显示出体性质。经计算得出：(100)表面能最高，(111)表面能次之，(110)表面能最小。6层ALP(111)面在弛豫后，表面朝向真空层的一侧电子密度显著减少，P原子所在的位置电子密度有所减少，而Al原子所在的位置电子密度有所增加。AIP(111)面在弛豫后，费米能附山东入学博r上学位论文——超高硅铝合合中硅相

8、的细化与界面性质研究近的DOS峰值显著下降，经过弛豫后表面稳定性增加。表面弛豫不仅引起表面几何