［摘要］ 提出了一种流变混熔复合新方法，并用此方法制备了硅相增强锌基复合材料。利用透射电镜(TEM)观察了该复合材料微结构，发现：硅相本身的精细结构中存在大量的缺陷，硅相与基体以及基体晶粒之间的界面处有η相析出，其中粗大的η析出相是离异共晶组织。
关键词 硅相增强锌基复合材料 微结构 界面
A Study of its Microstructure of Silicon Particle
Reinforced Zinc Matrix Composite
Liu Junyou
(Hebei University of Science&Technology)
Shi Zhongliang Gu mingyuan Tao Xiaodong
(Shanghai Jiao Tong University)
［Abstract］ The new method-rheologic mixed multiple melts has been put forward and silicon particle reinforced zinc matrix composite has been prepared by this method in the paper. It has been found that silicon itself has a lot of defects and the interfacial precipitated products between silicon particles and ZA27 matrix has been analyzed, observed by TEM.
Keywords silicon particle reinforced zinc matrix composite microstructure interface
1 前言
硅颗粒硬度高且具有一定的强度，像SiCp和Al2O3p一样，可作为复合材料增强体。ZA27合金中硅颗粒的复合将大大改善材质的磨损特性［1，2］。硅颗粒又与SiCp和Al2O3p不同，它与铝之间可发生共晶反应，因此与基体组织之间具有良好的浸润性。这与SiC和Al2O3等颗粒与基体合金的界面反应不同［3，4］。本文主要研究硅相增强的ZA27复合材料中硅相的形态控制以及界面反应特征。
2 试验方法
研究对象是ZA27+16vol%Si的复合材料。常规的制备方法是将各种原材料，如Al-Si合金、锌和铝合金按成分配比置于一起进行熔融处理，获得的组织是从均匀的液态随温度降低逐渐冷却、凝固时因界面前沿溶质再分布和成分偏析所产生的不平衡组织。本文提出将原材料Al-30%Si和Zn-5.5%Al分别加热到不同熔融状态，然后复合搅拌并快速成形的流变混熔复合新方法，制备上述复合材料，并通过透射电子显微镜EM430(附EDAX能谱，加速电压250kV)进行观察和分析。
3 实验结果与分析
3.1 Si相的形成及其控制
Zn-27Al-16vol%Si通过常规铸造方法制得试样的组织，硅相粗大，分布在基体中。利用流变混熔方法制得的试样组织，硅相得到了大大细化(图1)。这是因为Al-30%Si冷却时当温度降至液固相区，首先析出初晶硅，初晶硅不断长大，当加入Zn-5.5%Al熔液后在机械搅拌、流变混合的作用下会对原熔液中的初生Si施加一定的剪切力，造成初生Si中形成裂纹而破碎，同时，在混合体系中对于Al-30%Si中的初生硅相则是非稳相，这样在流变动力学作用下，使得硅相得到细化。部分初生Si破碎后并开始熔化。但由于初生硅在降温过程中已长大成相当尺寸，在快速混熔和流变复合下，初生硅相得到碎化，但不可能完全熔化，碎化的硅相形态则得到改善，形成细小的规则的多角状的硅相，就像SiCp和Al2O3p等一样，是良好的增强体。
图 1 流变混熔Zn-27Al-16vol%Si的组织
Fig.1 Rheologic mixed-melt structure of Zn-27Al-16vol%Si
3.2 Si相精细结构
Al-Si合金中硅相的长大方式为小平面长大方式。同样在Zn-27Al-16vol%Al中，硅相也是小平面长大。由于其与基体合金热膨胀系数的差别，在形成时产生较大的热应力，因而硅晶体中将产生机械孪晶、亚晶界和层错等缺陷。图2所示硅相呈长条状，并形成分枝，这是共晶硅相的分枝生长。图3为硅相内部存在的缺陷，主要以面缺陷为主(孪晶、层错)。Si生长过程中出现分枝的原因在于：当共晶Si的生长在某一方向受到阻碍，它可以通过孪晶机制转移到其它晶面上继续生长，从而在形态上呈现图2中的结构。
图 2 硅相的分枝生长
Fig.2 Branching growth of silicon phase
图 3 硅相内部的精细结构(缺陷)
Fig.3 Inner microstructure of silicon phase(defect)
3.3 界面形貌及其分析
硅同锌铝基体之间界面观察发现：两者之间的界面平直。在α-Al同硅相之间的界面近铝的一侧均发现有细小的析出相，如图4a，其能谱见图4c，由能谱分析证明该析出相为η相，η相附近有大量应力条纹。原因是：(1)基体与硅相之间热膨胀系数的显著差别，高温冷却时造成很大的热应力。(2)η相依附于Si相形核长大，η相为六方结构，与硅相的晶格结构有较大差异，从而引起晶格的畸变，造成较大的内应力。界面上还有另外一种粗大的短棒状η相，如图4b所示。该类η相是由于凝固时偏析，形成的锌铝离异共晶组织。界面上的两种η相与ZA27基体组织α相中常见的二次析出η相(球形、椭球形)形态上有明显的区别。
图 4 硅相增强的锌基复合材料界面微结构(a,b)以及界面产物能谱分析(c)
Fig.4 The interfacial precipitated product of silicon reinforced zinc matrix composites(a,b)
and its analysis by energy spectrum(c)
没有析出处的界面平直光滑，共析组织(α+η)与硅相之间的界面形貌如图5所示。流变混合熔体凝固时，随着Si相析出长大，α相紧随其后形成。由于凝固过程中的偏析，锌在初生Si相附近富集，富锌η相直接依附硅相界面形核析出(如图4a)或者形成离异共晶(如图4b)。图4a所示的界面析出相细小，而离异共晶组织中的富锌η相则较粗大。
图 5 锌基复合材料的光滑界面
Fig.5 The smooth interface of silicon
reinforced zinc matrix composites
4 结论
(1) 流变混熔复合方法是制备Si相增强锌基复合材料的一种行之有效的方法。
(2) 硅相以粗大的多角状初晶硅和条状共晶硅的形式存在，硅相本身的精细结构中发现有大量缺陷，以面缺陷为主。
(3) 硅相与基体的界面附近近基体一侧有η相。一种是细小的η析出相，另一种是凝固过程中形成的离异共晶组织中的η相。没有η相析出处的界面平直。
