梯度功能复合材料,,

采用铸造−倾析−铸造技术制备A390/A356铝合金功能梯度复合材料时过热和凝固层厚度对其界面接合的影响Abstract: T he cast−decant−cast is a new method for the preparation of thefunctionally graded components that has been developed in recent years. The functionally graded cylindrical shape component with a radial gradient, e.g. the first alloy (A390) with high wear resistance on the surface of the piece and toughness and the second alloy (A356) of low machining costs in the core of the piece can be produced via this melt process. The effectof the second alloy superheat at temperatures of 750, 820 and 860 °C as well as the effect of the first alloy solidified layer at 25, 35 and 45 s decanting time on achieving the perfect interface between the twoalloys was investigated. The characterization of the interface was carried out by optical microscopy and scanning electron microscopy,and its width was measured by the microhardness test. The results showed that the best interface was obtained at 860 °Cand 35 s decanting time with a width of 500 µm. Also, the wear resistance test was performed to measure and compare the surface wear resistance to the core. Key words: A390 alloy; A356 alloy; functionally graded material; cast−decant−cast process摘要：铸造−倾析−铸造技术是近年来发展起来的一种制备功能梯度材料的新方法。

采用这种方法制备在径向具有梯度功能的圆柱形试样，其外表层为具有高耐磨性的A390铝合金，芯部为具有较高韧性和加工性能的A356铝合金。

研究芯部熔体在不同过热温度(750，820和860 °C)和表层在不同倾析时间(25，35和45 s)下的A390/A356铝合金界面接合情况。

采用光学显微镜和扫描电镜对界面进行表征，对界面区的显微硬度进行测量。

结果表明，在过热温度为860 °C，倾析时间为35 s的条件下，可以获得一宽度约为500 μm的接合良好的界面层。

比较了试样表面层和芯部的耐磨性能。

关键词：A390铝合金；A356铝合金；功能梯度材料；铸造−倾析−铸造技术1引言工程中的许多组件需要材料的对立特性，如质轻和耐磨，耐磨性和可加工性，横截面的硬度和韧性等。

梯度功能材料（FGM）填补了这种材料科学的缺口，就是组件需要在不同的位置有不同的属性和实现均相横截面的最优属性的材料。

功能梯度材料是成分和显微结构沿厚度变化的材料[ 1 ]。

在最近的几十年里，一些熔融工艺已被用于批量制作功能梯度材料。

最常见的方法是离心铸造[ 2 ]，功率超声铸造[ 3 ]，沉降[4]，磁分离[5]和熔体渗透[ 6]。

2005年，都柏林大学开发了生产功能梯度轻合金铸造的新技术；该技术被称为铸造−倾析−铸造（CDC）技术。

SCANLAN等人确定了三个与CDC（铸造−倾析−铸造）进程相关联的技术：转向，内部倾析和低压技术。

通过这些方法生产的功能梯度材料，已被用于生产下面的模型。

首先将铝合金引入模具，让部分凝固在模壁或核心，以形成一层。

当该层得到所需厚度，慢慢倒出剩余的第一种合金未凝固的部分和第二种合金，然后引入模具。

每个加工工艺共同的步骤是倾析。

这项工作的主要目的是制造一个在一个表面上径向梯度变化具有高的耐磨性和硬度的Al -Si合金的FGM活塞，在另一个表面上或在一块的核心具有高切削性和韧性。

生产Al -Si合金的FGM活塞的研究已经通过另一个工艺，如离心铸造。

然而，当CDC （铸造−倾析−铸造）过程有能力生产径向梯度的功能梯度材料，这一过程，尤其是转换工艺，已经用于该项研究。

有关其产品和其他功能梯度材料产品主要关注的是实现不同层或合金是由推定的方法或传输方式产生不同层或合金之间的完美界面。

研究人员还没有详细地报告这一过程。

这可以通过第二合金过热度的影响及第一合金凝固层的影响实现理想的界面和宽的过渡带。

因此，在本工作中，关于实现理想的界面与上述参数的影响进行了研究。

同时，热分析是探讨一个可靠的和可重复的方法进行的测量第一合金凝固层的固相体积分数。

2实验2.1材料和设备该项目的重点是使用的Al-Si合金可以结合许多上述对立的的材料特性。

两种合金分别采用：第一，A390铝合金，过共晶Al-Si合金;第二，A356铝合金，一种亚共晶Al-Si合金。

两种合金的化学成分见表1。

A390铝合金是一种坚硬，具有耐磨性硅含量~16%的合金。

A356铝合金是一种硅含量为7%的更为强硬的材料。

这种技术的装置是一个简单的圆柱型的侧手柄st37钢用，如图1所示。

手柄能使模具倒立。

2.2表征微观结构的表征是使用光学显微镜进行（OM）和扫描电子显微镜（SEM）。

能量色散X射线光谱（EDS）被用来分析界面，研究硅梯度。

2.3显微硬度和耐磨性显微硬度试验是从一个距离界面区100μm的间隔的右侧和左侧的进行，以确定所述过渡区的宽度，并测量其中存在的硅含量和微观结构的梯度。

干滑动磨损试验是以测量和比较的表面耐磨性为核心在25m㎡的立方体样品用销-盘磨损试验机进行的。

应该考虑的是0.25m/ s 的滑动速度，50 N的载荷和1000米的磨损距离。

磨损的单位是磨损质量（毫克）。

磨损表面用扫描电子显微镜观察。

2.4热分析使用高速数据采集系统（模拟- 数字（A /D）转换器）连接到笔记本电脑收集该温度- 时间数据。

在这项工作中使用的A / D转换器有一个敏感的16路通道的16位转换器，他的响应时间0.02秒，检测精度高。

K型热电偶用来测量熔体合金凝固过程中的温度。

热电偶位于从模具底部25毫米高度的永久模具中心的位置。

模具预热温度至200°C。

CDC（铸造−倾析−铸造）的过程的熔融情况是，A390铝合金的熔点在750°C。

使用热分析软件和Excel软件绘制冷却曲线和一阶导数曲线。

在这项工作中，热分析技术被用来量化A390铝合金凝固过程中的固相分数。

从凝固试验样品放出的热量可以用以下一阶导数曲线和零线（基线）之间的面积来计算[ 9 ]。

固相分数的热量成比例。

因此，外部合金凝固层可以通过热分析技术获得相关是固相分数。

值得注意的是，热测试分析仪是在恒定温度下被用于找到外部合金（A390铝合金）的凝固层厚度。

计算的精度在很大程度上取决于零点曲线评估。

本文基于巴洛和斯特凡内斯库采用的牛顿模型给出零点曲线的计算分析。

因此，为了确定固相分数，需要绘制冷却曲线（CC），一阶导数曲线，和零点（ZC）曲线。

最后，通过以下公式计算是固相分数的数值：2.5步骤为了探讨过热度对两种合金的界面之间的影响，A390铝合金作为第一合金，A356铝合金作为第二合金在750°分别在两个单独炉和不同的过热温度750，820和860°C被熔融。

该步骤是通过以下方式进行。

首先，将A390铝合金倒入模具中，然后使其固化，在模具的侧壁形成一层。

层厚度随时间向中心增加。

当该层达到所要求的其被认为是浇注熔融后固化时间是35秒厚度，为了从模具中除去未固化的A390铝合金用手柄将模具倒置。

含有一层A390铝合金的模具固化反对侧壁回到了直立位置。

然后，将剩余的A356铝合金在750，820和860℃的不同过热温度倒入中央空腔。

这导致了填充件的芯与该表面的有不同的合金。

足以影响界面形成的另一个重要的参数是模壁凝固层厚度。

为此，利用热分析的结果作为固体的体积分数，我们认为三次倾析的时间是25，35和45S。

宏观的样品如图2所示。

应该说，根据以往的研究结果当其它条件不变时，A356铝合金的过热温度是860℃。

通过这种方法，提高表面的高硅A390及减少低硅A356为核心，生产梯度硅构件。

值得注意的是倾析和第二合金之间的浇注必须达到足够短的时间，以实现良好的金属粘合，没有任何无效的氧化膜。

3结果与讨论3.1过热温度的影响在不同的过热温度制备的样品的界面的宏观形貌和显微照片如图3所示。

可以看出，在过渡区域中的两种合金相互粘合。

在这个区域中的A390铝合金在左侧和A356铝合金在右侧。

在不同过热温度下采取了样品的宏观形貌，以显示第二铝合金（A356）的颗粒尺寸。

在图3中，显然所观察到的晶粒尺寸随过热温度的升高而增加。

以750°C的过热温度，尚未获得理想的界面和良好的金属粘合。

尽管750℃的过热温度，两种合金在820℃下能完全结合，但如图3（e）所示的显微组织，这两种合金似乎没有互相均匀混合，并且在过渡区域中获得了薄弱界面。

然而，在过热度是860℃时（图3（C，F）），产生了理想的完全混合的界面。

结果发现，为了实现了良好的粘合，高温熔融的第二合金至关重要，因为第二合金的高过热状态导致了内层部分凝固合金的再熔融，并与第一合金的液体混合。

最初的合金重熔过程中过渡区微观结构的特点是通过以下方式确定的。

主要因素是硅含量从表层到中心逐渐降低。

结果，靠近凝固层的第二合金中Si含量的增加，固化时，如图4所示，由于相邻的凝固层有较高的凝固速率，它有了一个新的含有细晶和初晶Si的结构特点。

两种合金从侧面合金的显微组织可以区分的区域称为过渡区域。

强化的过共晶合金Si粒子和树枝状的过共晶合金α（AI）之间的距离确定了过渡区的宽度。