本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種使用稀土元素消除高硅鋁硅合金表面熔坑的方法。

背景技術(shù)：

所謂熔坑是金屬材料經(jīng)過脈沖電子束轟擊后，表面形成了一種中心凹陷類似火山坑狀的“熔孔”及環(huán)形山似的結(jié)構(gòu)。這種形貌增加了材料表面的粗糙度，容易導(dǎo)致抗疲勞性能、耐磨和耐腐蝕性能的急劇惡化。熔坑結(jié)構(gòu)的存在不利于材料表面性能的改善，該組織結(jié)構(gòu)極易在材料的第二相，氣孔，微裂紋等位置處形成。

強(qiáng)流脈沖電子束是最近幾年發(fā)展的一種新型表面改性技術(shù)，其作為一種高密度能量源，在材料近表層附近沉積了大量的能量，并且產(chǎn)生了快速加熱和冷卻過程，該過程的循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致了表面復(fù)雜的溫度場和應(yīng)力場的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致材料組織發(fā)生了明顯變化；由于快速熔化或蒸發(fā)加熱，熱應(yīng)力以及自淬火等過程的產(chǎn)生，導(dǎo)致了表面非平衡結(jié)構(gòu)的形成，例如納米晶，準(zhǔn)晶，非晶等亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提高了材料表面的物理和化學(xué)性能。

盡管如此，電子束處理后產(chǎn)生的表面熔坑結(jié)構(gòu)，極大地惡化了合金的耐腐蝕性能，這也是阻礙強(qiáng)流脈沖電子束表面改性技術(shù)發(fā)展的一項難題；盡管國內(nèi)外研究者致力于這一方面的研究，至今收效甚微；因此，需要另外尋求一種新的途徑來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有高硅鋁硅合金制備技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種使用稀土元素消除高硅鋁硅合金表面熔坑的方法，向鋁硅合金中加入稀土元素Pr，通過電子束加熱處理鋁硅合金表面，消除了合金表面的熔坑結(jié)構(gòu)，從而使經(jīng)過電子束加熱處理后的鋁硅合金表面具有更加優(yōu)異的性能。

本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行：

（1）在氬氣保護(hù)下在高溫電阻爐內(nèi)熔煉合金，熔煉溫度為760~800℃，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內(nèi)，得到含鐠的高硅鋁硅合金鑄錠，其成分按照重量百分比為Si 20±0.1%，Pr 1~2%，余量為Al；

（2）利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進(jìn)行機(jī)械拋光和研磨至表面光亮，再用有機(jī)溶劑清洗干凈，獲得試樣；

（3）將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進(jìn)行強(qiáng)流脈沖電子束處理，加速電壓為20~25KV，脈沖次數(shù)為25次，能量密度為2~4J/cm²，獲得含稀土的高硅鋁硅合金。

上述的有機(jī)溶劑為乙醇或丙酮。

稀土是一種有益的元素，加入少量的稀土元素，能夠明顯地細(xì)化材料組織和消除微裂紋或針孔，有效地改善了材料表面性能；鋁硅合金是一種重要的鋁合金，它擁有很高的流動性和低的收縮率，特別是高硅鋁硅合金（Si的含量不小于20%）還具有很高的耐磨性，因而合金具有優(yōu)異的鑄造性能，主要適用于制造汽缸蓋、活塞、變速器殼、傳動裝置、排氣管等零件，擁有廣泛的應(yīng)用前景；高硅鋁硅合金組織由針狀的共晶硅，鋁基體以及粗大的初生硅（其尺寸通常大于100μm以上）組成；強(qiáng)流脈沖電子束處理容易使高硅鋁硅合金組織中初生硅相產(chǎn)生大尺寸的熔坑結(jié)構(gòu)，同時伴有微裂紋形成，極大的惡化了合金的表面性能，這在一定程度上限制了鋁硅合金的應(yīng)用范圍；向高硅鋁硅合金中添加稀土鐠是一種消除電子束產(chǎn)生的熔坑結(jié)構(gòu)的有效手段，具有簡便易行，工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明通過在高硅鋁硅合金中添加少量稀土元素鐠，細(xì)化了原始組織中的初生硅相，然后對含鐠鋁硅合金實(shí)施強(qiáng)流脈沖電子束，使鋁硅合金鑄錠表面經(jīng)過快速熔化和凝固過程，最終使得合金表面各個元素分布均勻尤其是稀土Pr元素更加均勻，消除了合金表面的熔坑結(jié)構(gòu)，顯著提高了鋁硅合金表面的耐腐蝕性，并且電子束表面改性工藝是在6×10^-3Pa以下的真空條件下進(jìn)行，能夠有效避免合金表面被氧化；本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，含稀土合金表面的熔坑明顯消失，這對于提高材料表面性能具有重要意義和實(shí)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中強(qiáng)流脈沖電子束處理前未添加稀土Pr的試樣表面SEM形貌圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中強(qiáng)流脈沖電子束處理后未添加稀土Pr的試樣表面SEM形貌圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的試樣表面SEM形貌圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中的含稀土的高硅鋁硅合金表面SEM形貌圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中的含稀土的高硅鋁硅合金中稀土Pr的區(qū)域分布圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中強(qiáng)流脈沖電子束處理前未添加稀土Pr的試樣表面SEM形貌圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中強(qiáng)流脈沖電子束處理后未添加稀土Pr的試樣表面SEM形貌圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中的試樣表面SEM形貌圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中的含稀土的高硅鋁硅合金表面SEM形貌圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例中強(qiáng)流脈沖電子束處理采用的設(shè)備型號為MMLAB-HOPE-Ⅰ。

本發(fā)明實(shí)施例中強(qiáng)流脈沖電子束處理時的束斑直徑為30mm，脈沖寬度為0.5~5μs，脈沖間隔為30s。

實(shí)施例1

在氬氣保護(hù)下在高溫電阻爐內(nèi)熔煉合金，熔煉溫度為760℃，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內(nèi)，得到含鐠的高硅鋁硅合金鑄錠，其成分按照重量百分比為Si 20±0.1%，Pr 1%，余量為Al；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進(jìn)行機(jī)械拋光和研磨至表面光亮，再用乙醇清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進(jìn)行強(qiáng)流脈沖電子束處理，加速電壓為20KV，脈沖次數(shù)為25次，能量密度為2J/cm²，獲得含稀土的高硅鋁硅合金；

試樣表面SEM形貌如圖3所示，含稀土的高硅鋁硅合金表面SEM形貌如圖4所示，稀土Pr的區(qū)域分布如圖5所示；

對試樣進(jìn)行電化學(xué)性能測試，腐蝕介質(zhì)為3.5wt%NaCl溶液，測得強(qiáng)流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為1.239×10^-6μA/cm²，強(qiáng)流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為1.485×10^-8μA/cm²；

按上述方法，在不添加稀土的條件下進(jìn)行對比試驗(yàn)，獲得的對比試樣表面SEM形貌如圖1所示，強(qiáng)流脈沖電子束處理后表面SEM形貌如圖2所示；

對對比試樣進(jìn)行電化學(xué)性能測試，腐蝕介質(zhì)為3.5wt%NaCl溶液，測得強(qiáng)流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為8.265×10^-7μA/cm²，強(qiáng)流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為3.835×10^-6μA/cm²；

由圖可見，未添加稀土Pr時，強(qiáng)流脈沖電子束處理后合金表面凹凸不平，有大量的熔坑產(chǎn)生，并伴有微裂紋形成，嚴(yán)重影響合金表面的耐腐蝕性能；而添加稀土Pr后，25次脈沖處理后合金表面變得平坦，熔坑消失，顯示合金表面性能得到明顯改善； 強(qiáng)流脈沖電子束處理后合金表面稀土Pr呈現(xiàn)均勻分布，使得稀土Pr充分發(fā)揮了消除熔坑的作用，從而改善了合金的表面性能。

實(shí)施例2

在氬氣保護(hù)下在高溫電阻爐內(nèi)熔煉合金，熔煉溫度為800℃，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內(nèi)，得到含鐠的高硅鋁硅合金鑄錠，其成分按照重量百分比為Si 20±0.1%，Pr 2%，余量為Al；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進(jìn)行機(jī)械拋光和研磨至表面光亮，再用丙酮清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進(jìn)行強(qiáng)流脈沖電子束處理，加速電壓為25KV，脈沖次數(shù)為25次，能量密度為4J/cm²，獲得含稀土的高硅鋁硅合金；

試樣表面SEM形貌如圖6所示，含稀土的高硅鋁硅合金表面SEM形貌如圖7所示；

對試樣進(jìn)行電化學(xué)性能測試，腐蝕介質(zhì)為3.5wt%NaCl溶液，測得強(qiáng)流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為5.226×10^-6μA/cm²，強(qiáng)流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為4.478×10^-8μA/cm²；

按上述方法，在不添加稀土的條件下進(jìn)行對比試驗(yàn)，獲得的對比試樣表面SEM形貌如圖8所示，強(qiáng)流脈沖電子束處理后表面SEM形貌如圖9所示；

對對比試樣進(jìn)行電化學(xué)性能測試，腐蝕介質(zhì)為3.5wt%NaCl溶液，測得強(qiáng)流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為9.345×10^-7μA/cm²，強(qiáng)流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為3.445×10^-6μA/cm²；

由圖可見，未添加稀土Pr時，脈沖處理后合金表面凹凸不平，有大量的熔坑產(chǎn)生，并伴有微裂紋形成，嚴(yán)重影響合金表面的耐腐蝕性能；而添加稀土Pr后，脈沖處理后合金表面變得平坦，熔坑消失，顯示合金表面性能得到明顯改善；

對于未添加稀土Pr的試樣，電子束處理后腐蝕電流密度較原始樣品增加了1個數(shù)量級；而對于添加稀土Pr的試樣，電子束處理后腐蝕電流密度較原始樣品明顯降低，降低了2個數(shù)量級，證明由于熔坑的消除電子束處理后材料表面耐腐蝕性顯著提高。

實(shí)施例3

在氬氣保護(hù)下在高溫電阻爐內(nèi)熔煉合金，熔煉溫度為780℃，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內(nèi)，得到含鐠的高硅鋁硅合金鑄錠，其成分按照重量百分比為Si 20±0.1%，Pr 1.6%，余量為Al；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進(jìn)行機(jī)械拋光和研磨至表面光亮，再用丙酮清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進(jìn)行強(qiáng)流脈沖電子束處理，加速電壓為22KV，脈沖次數(shù)為25次，能量密度為3J/cm²，獲得含稀土的高硅鋁硅合金。