二次加热对Al-Si-Cu合金中Cu元素偏聚的影响

任 鹤，胡 冰

（1.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，辽宁 沈阳 110869；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 实验材料及方法

金属熔配采用高纯Al（≥99.7%）、Al-50Cu和Al-26Si合金；合金成分为Al-17Si-4Cu。合金在750℃的电阻炉中熔化。二次加热重熔是在箱式电阻炉中进行的。在加热温度为630℃的环境下，保温时间分别为5天、10天和15天以及25min和35min，然后通过使用冷水进行淬火。最后的组织分析通过使用日立S-3400N型扫描电镜进行分析。

2 试验结果及分析

二次加热工艺对Cu元素偏聚的影响。半固态触摸成型的重要环节是二次加热保温，合金的二次加热温度要通过差热分析来进行确定，然后对合金表面的扫描形貌进行仔细观察分析，进而讨论二次加热过程对铜元素分布产生的影响。

图1为合金面扫描形貌，由此图可以看出，当加热温度为500℃，保温时间为5min时，合金的液相含量较少，多角形主相和层状共晶硅相具有十分明显的结构和分布。大部分Cu元素与Si元素结伴出现，并且在晶界处聚集，只有少量的Cu元素在聚集，见图1（a）；当温度升高至630℃的二次加热温度并且保温5min时，液相就会出现，而此时就会发现初生Si边缘圆整，数量以及尺寸减小，并且大量Si元素形成的α+Si+Al2Cu共晶体出现在液相凝固区，铜的偏析十分明显。有大量铜元素富集在晶界处，如图1（b）所示。

可以看出，在晶界处出现的液相中的溶质在第二次加热保温的过程中含量较高，界面能也较高。液相中的Cu和Si元素在保温结束后不能扩散到基体中，从而形成大量的三相共晶，导致Cu元素在晶界富集[1]。

图1 Al-17Si-4Cu合金面扫描形貌

在630℃的环境中重熔试验分别以15min、25min、35min进行保温时间测定。从实践中可以看出，在保温时间为15min时，合金的微观结构并没有产生十分明显的变化，然而，当保温时间增加到25min时，少量液体可以首先出现在具有较高界面的三晶粒的结合处，并且初始Si的边界也开始慢慢变得平滑，保温时间继续增加，当达到至35min时，液体数量明显比之前有所增多，多晶硅交界处的液体聚集并扩展晶界分布，最终形成围绕晶界的液体，经过快速冷却后组织变得细化，初晶Si相边界不仅会随之变得更圆滑，而且尺寸也会比之前有所减小，大量条状共晶Si以及富铜三相共晶体在由液相凝固的合金中出现，它的尺寸也有所减小。

通过对二次加热后不同保温时间对应的能谱分析，结果表明，铜的含量在15min后占共晶化合物中的49.70%；增加保温时间至25分时，Cu含量占共晶化合物中的50.06%；当保温温度继续增加至35min时，Cu元素含量在共晶化合物中的百分比也增多至55.15%。Cu元素在共晶化合物中的含量随着保温时间的增加而逐渐增加，Cu元素在化合物中也逐渐积累。第二次加热使基体中铜含量降低，重熔区与未熔区铜含量之差增大。

重熔过程中，晶粒间铜的偏析明显降低，但重熔区铜的偏析趋势明显减弱。Al-Si-Cu金属间化合物的铜和固溶的扩散是二次加热的重熔所引起的铜分布的变化的原因。在搅拌过程中，铜在晶界处发生偏析，晶界先熔融，然后熔融区逐渐扩大，液相含量不断增加，晶界中的铜金属间化合物也溶化熔融，溶解在液态金属中，使得Cu元素在液体中均匀分布的原始晶界偏聚。加热时间短，二次重熔量小，晶界铜的初始偏析以液态均匀分布，凝固后仍有偏析现象，当延长二次加热时间后，由于液相区扩大，冷却速率增大，以及Cu在液相中的再分配延迟或不足，导致凝固后Cu在液态金属中的分布均匀。结果表明，采用重熔法可以改善熔融部分铜的偏聚。

3 结论

①二次加热重熔可以改变半固态钢锭中铜元素的分布，且重熔液体积分数越小，高温扩散效应是未重熔的晶粒中Cu含量进一步增加的条件，因此没有经过重熔的晶粒中Cu含量就会进一步降低；重熔液体积分数高，铜元素在重熔区内凝固后分布均匀。②重熔带和非重熔铜的平均含量差将通过重熔和再加热进一步扩大。