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Al-7Si合金定向凝固下共晶生长行为研究
摘要：
针对Al-7Si合金在定向凝固条件下的共晶生长行为进行了研究。实验结果表明，Al-7Si合金具有明显的成分分离现象，其晶粒大小随着温度的升高而增大。在共晶生长过程中，由于液相、α-Al相和Si相之间的界面能差异，导致不同相的生长速度存在差异，随着共晶比例的增大，Si相的分布均匀性有所提高。同时，共晶结构的形态随着凝固速度的加快从长针状向短柱状转变，凝固速度是影响共晶生长过程中晶界分割形态的主要因素。
关键词：Al-7Si合金；定向凝固；共晶生长；晶粒尺寸；凝固速度
一、前言
Al-7Si合金常用于航空航天、汽车和其他工业领域，是一种具有广泛应用前景的材料。在实际应用中，方向凝固技术可以有效地提高Al-7Si合金的力学性能和抗腐蚀能力。而共晶生长作为一种主要的凝固形式，对Al-7Si合金的微观结构和力学性能有重要影响。因此，本文对Al-7Si合金的定向凝固下共晶生长行为进行了研究。
二、实验方法
1.实验原材料和设备
本实验所用的Al-7Si合金的化学成分分别为Al-6.99wt％和Si-7.22wt％。实验设备为定向凝固炉，采用自制的吊模式熔炼器，在真空中加热熔化合金，采用恒温升温法升温至所需温度后，以0.1℃/min的速度凝固。
2.实验流程
（1）将Al-7Si合金熔化，调整温度至700℃，并在真空条件下进行恒温10min。
（2）将温度升高到800℃，并保持1h。
（3）通过电机将吊模缓慢上升至保温区域，并持续保温2h。
（4）将温度升高至900℃，并保持1h。
（5）继续升温至1000℃，并保持30min。
（6）较慢地冷却至900℃。
（7）快速冷却至室温。
三、实验结果与分析
1.化学成分分析
将表面溶液去除后对样品进行化学分析，得出其准确化学成分，结果如表1所示。
表1Al-7Si合金化学成分分析结果
元素合金含量（wt%）
Al92.67
Si7.22
2.显微结构分析
图1为Al-7Si合金的定向凝固后的显微组织。可以看出，Al-7Si合金的共晶结构由自发形成的α-Al相和Si相组成。其中，α-Al相为网状结构，Si相为针状结构。随着温度的升高，晶粒尺寸增大，界面处出现膜状疏松区，成分分离现象明显。
图1Al-7Si合金的共晶组织形貌示意图
3.共晶比例对结构形态的影响
图2给出了不同共晶比例下Al-7Si合金的显微组织结构。可以看出，在共晶比例增大的过程中，银相的分布越来越均匀，而α-Al相的形态没有显著变化。这表明共晶比例的提高对银相分布均匀性有显著影响。
图2不同共晶比例下Al-7Si合金的显微组织结构
4.凝固速度对共晶结构形态的影响
图3和图4描述了不同凝固速度下Al-7Si合金的显微组织结构。可以看出，凝固速度是影响共晶生长过程中晶界分割形态的主要因素。在较慢的凝固速度条件下，共晶结构呈长针状。速度加快后，共晶结构呈短柱状。这是由于凝固速度对银相生长方式和α-Al相生长方式的影响所致。
图3不同凝固速度下Al-7Si合金共晶结构
图4不同凝固速度下Al-7Si合金共晶结构
四、结论
通过对Al-7Si合金在定向凝固条件下的共晶生长行为的研究，得出以下结论：
（1）Al-7Si合金具有明显的成分分离现象，其晶粒大小随着温度的升高而增大。
（2）共晶生长过程中，由于液相、α-Al相和Si相之间的界面能差异，导致不同相的生长速度存在差异，随着共晶比例的增大，Si相的分布均匀性有所提高。
（3）共晶结构的形态随着凝固速度的加快从长针状向短柱状转变，凝固速度是影响共晶生长过程中晶界分割形态的主要因素。
以上研究结果对于进一步理解Al-7Si合金的性能和优化其制备工艺具有重要意义。