超高压力对ZA27合金晶体结构及微观组织的影响

第19卷第9期中国有色金属学报2009年9月Vol.19No.9TheChineseJournalofNonferrousMetalsSep.2009文章编号：1004-0609(2009)09-1570-05超高压力对ZA27合金晶体结构及微观组织的影响李荣德，曹修生，曲迎东，谢尧，李润霞，田畅(沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳110178)摘要：采用高机械压力方法制备ZA27合金试样，通过X射线和金相分析手段研究晶体结构与组织变化。结果表明：随着压力的增加，晶面间距和晶格常数都逐渐减小，当压力达到5GPa时，富铝α相在(200)与(220)晶面处，晶面间距较常压力时的分别减小1.07%和1.15%；在常压至3GPa范围内，晶粒由粗大的树枝晶→细小的树枝晶→粒状、椭球状枝晶转变的趋势，通过压力对合金凝固溶质扩散系数的影响结合Scherrer公式计算分析其组织变化原因，得出在一定的压力范围内，随着压力的增大，晶粒尺寸逐渐变小，这一结论与实验结果相符。关键词：超高压；ZA27合金；晶体结构；晶粒组织中图分类号：TG249文献标识码：AEffectofsuperhighpressureoncrystalstructureandmicrostructureofZA27alloyLIRong-de,CAOXiu-sheng,QUYing-dong,XIEYao,LIRun-xia,TIANChang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110178,China)Abstract:ZA27alloywasproducedundersuperhighpressure.TheremarkablechangesofcrystalstructureandmicrostructurewereanalyzedbyXRDandmetallographymicroscopy.TheresultsshowthattheinterplanarcrystalspacingandlatticeindexofAl-richαphasereducegraduallywithincreasingpressure.Whenthepressurereachesfromcommonpressureto5GPa,Al-richαphaseliesonthe(200)and(220)crystalfaces,theinterplanarcrystalspacingarereducedby1.07%and1.15%.Fromcommonpressureto3GPa,themicrostructureofZA27alloychangesfromthickdendritestofinedendrites,andfinallytogranular.AccordingtotheeffectofsolutediffusioncoefficientundersuperhighpressureandthecalculationofScherrerformula,itcanbeseenthatthecrystalorganizationisfinewithintheboundsofcertainpressure.Thisconclusionisconsistentwiththeexperimentresults.Keywords:super-highpressure;ZA27alloy;crystalstructure;grainorganization锌铝合金结晶温度范围宽，凝固过程复杂，常压铸造条件容易出现偏析严重、缩松和缩孔等缺陷，限制了其使用的范围，故锌铝合金适合在高压下[1−4]凝固。目前，一般采用金属型铸造和挤压铸造制备工艺制备锌铝合金铸件，作用于锌铝合金上的压力范围仅为几十至几百兆帕[5−6]，此压力范围尚不足引起锌铝合金凝固组织奇异性变化。随着超高压技术的发展，在金属凝固领域引入超高压力技术可使合金凝固组织发生显著改变[7−9]。目前该领域的研究刚刚处于起步阶段。锌铝合金在超高压作用下的研究报道不多。近些年，尽管有些研究者针对锌铝合金在超高压作用下的组织和性能进行了探讨[10−11]，但尚未涉及微观晶粒结构的变化。本文作者对超高压力下ZA27合金的晶体结构和显微组织进行研究，从而掌握超高机械压力作用下锌铝合金晶体结构与常压条件下不同的特点以及超高压作用下ZA27合金的微观组织变化规律。基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874075)；教育部博士科学点专项科研基金资助项目(20070142002)收稿日期：2008-11-24；修订日期：2009-06-20通信作者：李荣德，教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第19卷第9期李荣德，等：超高压力对ZA27合金晶体结构及微观组织的影响15711实验试样原材料采用1号锌、0号铝、纯镁锭、Al-Cu中间合金。熔炼是在6kW电阻炉中进行。加热到660~680℃，利用部分Zn调节原料温度至620℃，经变质、精炼和扒渣后于550~600℃浇注成金属型试棒。铸型为金属型，浇注前预热到150~200℃。ZA27合金试样实际成分为Al27.1%，Cu0.6%，Mg0.02%，其余为锌(质量分数)。尺寸为d34mm×142mm，用线切割成d6mm×6mm的小圆柱试样。高压试验在CS−1B型高压六面顶压机上进行[12]。试样用BN粉末进行包裹，用叶腊石做密封兼传压材料。将压力升高到指定压力后，将温度加热到合金熔化温度，保温保压5min后停止加热，待试样冷却到室温，卸压，取出试样。最后采用S−3400N型扫描电子显微镜对试样的组织形貌进行分析。在RigakuD/max-3C型X射线衍射仪上进行试样的相结构分析。2结果与分析2.1压力对合金晶面间距变化的影响图1所示为富铝α相(200)和(220)晶面衍射峰。结合图1可以看出，在常压以及2、3和5GPa压力下，锌铝合金试样的衍射曲线上布拉格角对应的曲线峰随着压力的增大逐步向高角度方向偏移，且同一物相的高角衍射峰的偏离比低角衍射峰的偏离大，查PDF卡片有关参数结合布拉格方程计算常压富铝α相的(200)晶面和(220)晶面下的具体晶面间距数值，从而讨论不同压力下的试样的晶面间距的变化规律，以说明XRD曲线峰值偏离原因。同时，也能说明同一物相的高角衍射峰的偏离比低角衍射峰的偏离大的这个规律事实。用快速傅立叶变换滤波[13−14]对α(Al)相(200)、(220)晶面衍射曲线进行平滑取点，测量2θ角结果列于表1。根据布拉格方程：2sindkθλ=(1)计算可得常压以及2、3和5GPa压力状态下富铝α相(200)和(220)晶面两个位置处对应的晶面间距变化，计算结果如表2所列。从表2中计算数值可以看出，随着压力的升高，富铝α相在(200)和(220)晶面两个位置的晶面间距分别由常压下的2.02400Å减小到2.00234Å和由1.43100Å减小到1.41450Å。超高压(5GPa)较常压下这两个晶面间距减小的比率分别为1.07%和1.15%。从以上计算结果可以看出，(220)晶面对应的高角度衍射比(200)晶面对应的低角度衍射晶面间距减小的比率大。从而可以得出，在一定的压力范围内，随着压力的升高，衍射峰向左偏移，高角度衍射比低角度衍射偏离严重。图1富铝α相(200)(a)和(220)(b)晶面的衍射峰Fig.1(200)(a)and(220)(b)crystalplanediffractionpeaksofAl-richαphase表1测量的α(Al)相(200)和(220)晶面的2θ角Table1Angletestedfor(200)and(220)crystalplanesofAl-richαphaseθ/(˚)p/GPaCrystalfaceof(200)Crystalfaceof(220)Commonpressure65.20844.805265.25944.939365.42844.990566.01645.294中国有色金属学报2009年9月1572表2不同压力下富铝α相(200)和(220)晶面的晶面间距Table2Spaceof(200)and(220)crystalplanesofAl-richαphaseunderdifferentpressureSpace/Åp/GPaCrystalfaceof(200)Crystalfaceof(220)Commonpressure2.024001.4310022.018061.4302432.015421.4262752.002341.414502.2压力对合金晶格指数变化影响富铝α相的晶体结构为面心立方结构，属于立方晶系范畴，可利用以下公式：222adhkl=++(2)求出富铝α相的晶格指数。计算求得常压以及2、3和5GPa下的晶格指数，其结果列于表3。从表3中可以看出，在不同压力下的富铝α相的(200)和(220)晶面晶格指数分别由常压下的4.048Å减少到5GPa时的4.00468Å以及由常压下的4.04687Å减少到5GPa时的4.00021Å，变化较为明显。表3富铝α相的晶格指数Table3LatticeindexofAl-richαphaseLatticeindex/Åp/GPaCrystalfaceof(200)Crystalfaceof(220)Commonpressure4.048004.0468724.036124.0447234.030844.0334954.004684.000212.3不同压力下溶质扩散对晶粒细化影响图2所示为ZA27合金凝固组织在不同压力下的形貌。从图2中可以看出，枝晶生长呈各向异性，逐渐细化。随着压力的变大，枝晶形态经历了由粗大的树枝晶→细小的树枝晶→粒状、椭球状枝晶转变。图2(d)中的枝晶组织出现了少量的粒状、椭球状颗粒。在高机械压力作用下影响合金微观组织的因素很多，本文作者将试图从溶质扩散的角度去分析。溶质扩散在合金凝固过程中占据着重要的角色[15]，对合金整个凝固过程都产生了重要的影响。高压凝固由于熔体粘度增大，对溶质在液相中的扩散产生很大影响，压力与溶质扩散系数关系可用下式表示：111100exp[(/())]DRTRTpVRTδηδη−−−−==−(3)式中：R为摩尔气体常数，R=8.314J/(K·mol)；T为熔体温度；δ为原子自由行程长度；η为熔体的粘度；η0为大气压力下且温度相同时熔体的粘度；V0为液相的原始摩尔体积。本试验采用的压力为GPa级的高压，故式(3)可以简化为]))/((exp[/00pRTpVDD−=(4)由式(4)可以看出，溶质扩散系数随着压力的增加呈指数衰减，本文作者粗略估计V0值1.823×10−5m3/mol，根据式(4)可以计算出ZA27合金在5GPa、1079K时的溶质扩散系数与常压的比值为Dp/D0=6.724×10−4m3/mol。由此可见，在5GPa高压下，合金的溶质扩散系数降低了4个数量级，高压下溶质扩散比常压下困难的多，几乎不会产生较大的对流。由于高压下产生的溶质扩散比较困难，所以不会出现长程扩散，这样就容易形成溶质富集层，增加成分过冷，在实际高机械压力作用凝固条件下的Dp/D0的比值还要比计算值低出许多，因为文中计算的数值是在纯液态情况下的溶质扩散现象，在凝固过程中，枝晶间的压力传递必定比纯液态的还要困难。在高机械压力作用下，合金凝固溶质扩散程度减弱所以易形成溶质富集层，极大程度的增加了成分过冷，晶体生长方式由外生生长向内生生长的趋势变大，在晶体内部具有异质形核质点的存在所以极大增加形核率。所以压力对凝固合金扩散系数的影响将对组织细化、枝晶形貌的改变起到了重要的作用[16]。此外，从X射线衍射图谱也可以分析压力对其晶粒尺寸变化的影响，在衍射曲线上衍射峰