1前言 硅顆粒硬度高......



1　前言
　　 硅顆粒硬度高且具有一定的強度，像SiCp和Al2O3p一樣，可作為復合材料增強體。ZA27合金中硅顆粒的復合將大大改善材質的磨損特性［

1，2］。硅顆粒又與SiCp和Al2O3p不同，它與鋁之間可發生共晶反應，因此與基體組織之間具有良好的浸潤性。這與SiC和Al2O3等顆粒與基體

合金的界面反應不同［3，4］。本文主要研究硅相增強的ZA27復合材料中硅相的形態控制以及界面反應特征。
2　試驗方法
　　 研究對象是ZA27+16vol%Si的復合材料。常規的制備方法是將各種原材料，如Al-Si合金、鋅和鋁合金按成分配比置于一起進行熔融處理，

獲得的組織是從均勻的液態隨溫度降低逐漸冷卻、凝固時因界面前沿溶質再分布和成分偏析所產生的不平衡組織。本文提出將原材料Al-30%Si

和Zn-5.5%Al分別加熱到不同熔融狀態，然后復合攪拌并快速成形的流變混熔復合新方法，制備上述復合材料，并通過透射電子顯微鏡EM430(

附EDAX能譜，加速電壓250kV)進行觀察和分析。
3　實驗結果與分析
3.1　Si相的形成及其控制
　　 Zn-27Al-16vol%Si通過常規鑄造方法制得試樣的組織，硅相粗大，分布在基體中。利用流變混熔方法制得的試樣組織，硅相得到了大大細

化(圖1)。這是因為Al-30%Si冷卻時當溫度降至液固相區，首先析出初晶硅，初晶硅不斷長大，當加入Zn-5.5%Al熔液后在機械攪拌、流變混合

的作用下會對原熔液中的初生Si施加一定的剪切力，造成初生Si中形成裂紋而破碎，同時，在混合體系中對于Al-30%Si中的初生硅相則是非穩

相，這樣在流變動力學作用下，使得硅相得到細化。部分初生Si破碎后并開始熔化。但由于初生硅在降溫過程中已長大成相當尺寸，在快速混

熔和流變復合下，初生硅相得到碎化，但不可能完全熔化，碎化的硅相形態則得到改善，形成細小的規則的多角狀的硅相，就像SiCp和Al2O3p

等一樣，是良好的增強體。

圖 1　流變混熔Zn-27Al-16vol%Si的組織
Fig.1　Rheologic mixed-melt structure of Zn-27Al-16vol%Si
3.2　Si相精細結構
　　 Al-Si合金中硅相的長大方式為小平面長大方式。同樣在Zn-27Al-16vol%Al中，硅相也是小平面長大。由于其與基體合金熱膨脹系數的差

別，在形成時產生較大的熱應力，因而硅晶體中將產生機械孿晶、亞晶界和層錯等缺陷。圖2所示硅相呈長條狀，并形成分枝，這是共晶硅相

的分枝生長。圖3為硅相內部存在的缺陷，主要以面缺陷為主(孿晶、層錯)。Si生長過程中出現分枝的原因在于：當共晶Si的生長在某一方向

受到阻礙，它可以通過孿晶機制轉移到其它晶面上繼續生長，從而在形態上呈現圖2中的結構。
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圖 2　硅相的分枝生長
Fig.2　Branching growth of silicon phase
圖 3　硅相內部的精細結構(缺陷)
Fig.3　Inner microstructure of silicon phase(defect)
3.3　界面形貌及其分析
　　 硅同鋅鋁基體之間界面觀察發現：兩者之間的界面平直。在α-Al同硅相之間的界面近鋁的一側均發現有細小的析出相，如圖4a，其能譜

見圖4c，由能譜分析證明該析出相為η相，η相附近有大量應力條紋。原因是：(1)基體與硅相之間熱膨脹系數的顯著差別，高溫冷卻時造成

很大的熱應力。(2)η相依附于Si相形核長大，η相為六方結構，與硅相的晶格結構有較大差異，從而引起晶格的畸變，造成較大的內應力。

界面上還有另外一種粗大的短棒狀η相，如圖4b所示。該類η相是由于凝固時偏析，形成的鋅鋁離異共晶組織。界面上的兩種η相與ZA27基體

組織α相中常見的二次析出η相(球形、橢球形)形態上有明顯的區別。
圖 4　硅相增強的鋅基復合材料界面微結構(a,b)以及界面產物能譜分析(c)
Fig.4　The interfacial precipitated product of silicon reinforced zinc matrix composites(a,b)
and its analysis by energy spectrum(c)
　　沒有析出處的界面平直光滑，共析組織(α+η)與硅相之間的界面形貌如圖5所示。流變混合熔體凝固時，隨著Si相析出長大，α相緊隨其

后形成。由于凝固過程中的偏析，鋅在初生Si相附近富集，富鋅η相直接依附硅相界面形核析出(如圖4a)或者形成離異共晶(如圖4b)。圖4a所

示的界面析出相細小，而離異共晶組織中的富鋅η相則較粗大。
圖 5　鋅基復合材料的光滑界面
Fig.5　The smooth interface of silicon
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reinforced zinc matrix composites
4　結論
　　(1) 流變混熔復合方法是制備Si相增強鋅基復合材料的一種行之有效的方法。
　　 (2) 硅相以粗大的多角狀初晶硅和條狀共晶硅的形式存在，硅相本身的精細結構中發現有大量缺陷，以面缺陷為主。
　　 (3) 硅相與基體的界面附近近基體一側有η相。一種是細小的η析出相，另一種是凝固過程中形成的離異共晶組織中的η相。沒有η相析