農(nóng)雄林 馮 琴 覃政商 湯宏群 任月路

研究添加Cu及Sc對鑄造Al-Mg-Si合金的影響

農(nóng)雄林 馮 琴 覃政商 湯宏群 任月路

（廣西大學資源環(huán)境與材料學院，廣西 南寧 530000）

文章采用重力鑄造的方法制備3組合金，研究添加Cu、Sc對鑄造鋁合金微觀組織和力學性能的影響。使用Thermo-Calc熱力學計算軟件，模擬非平衡狀態(tài)下鋁合金的凝固過程，通過光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、能量色散譜儀（EDS）以及拉伸實驗等對其微觀組織和力學性能展開分析。從結(jié)果中得知，力學性能表現(xiàn)最好的是成分為0.9% Cu和0.2% Sc，屈服強度為189 MPa，抗拉強度為223 MPa，延伸率為13.8%。相對于基體、屈服強度，抗拉強度、延伸率分別提高127.1%、189.2%、119%

鋁合金；鑄態(tài)；Thermo-Calc；微觀組織

引言

目前國家大力推行節(jié)能環(huán)保政策，汽車行業(yè)作為國內(nèi)制造業(yè)的龍頭產(chǎn)業(yè)，新能源汽車成為我國制造業(yè)重點開發(fā)對象[1-2]。汽車的主要結(jié)構(gòu)包括車身、底盤、發(fā)動機、輪轂等，其中車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的30%，耗油量達到70%，降低車身重量成為熱門的研究課題[3]。傳統(tǒng)汽車使用的車身材料為鋼鐵材料，盡管該材料強度高，適用于各種環(huán)境下服役，但由于質(zhì)量過重，產(chǎn)生的油耗過大，需采用新的材料來取代傳統(tǒng)的鋼鐵材料以減少能源消耗，從而實現(xiàn)二氧化碳的低排放[4]。鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、鑄造性能好、強度中等、成型性能好等特點，可滿足汽車使用環(huán)境的服役。其中，5xxx系鋁合金和6xxx系鋁合金成為我國重點開發(fā)的合金材料，其中6xxx系鋁合金主要添加成分為Mg和Si，強化相為Mg2Si，通常需要固溶處理后才能達到優(yōu)異性能[5]。本文的研究主題是車身材料6111鋁合金。

通常改變合金力學性能的方法包括高效的熱處理工藝和添加不同的變質(zhì)劑，這兩種方法可以實現(xiàn)對晶粒和微觀組織的改變[6-7]。變質(zhì)劑對合金的影響是通過在凝固過程中吸附在微觀組織表面影響其生長，從而達到改變宏觀力學性能的效果[8]。目前有許多關(guān)于變質(zhì)劑對鋁合金微觀組織影響的報道。

田國建等[9]使用AlP4.5，45% NaF+40%NaCl+15%KCl和AlSr10等變質(zhì)劑對鑄造鋁合金的變質(zhì)效果進行研究，發(fā)現(xiàn)AlSr10的變質(zhì)效果最佳，沒有塊狀的初晶硅產(chǎn)生，并且長針狀的共晶硅從長針變成短小棒狀。龔家林等[10]研究Sr、Sb及稀土變質(zhì)劑對鋁合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)Sr含量為0.03%時力學性能最好，原因是在凝固過程中Sr吸附在硅晶體表面，使硅晶體長條狀變?yōu)榧毿☆w粒狀，減少對合金力學性能損害。國棟等[11]利用Thermo-Calc軟件對1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB進行模擬，研究Al和Ni對平衡相種類、數(shù)量和組成的影響。

本文以鑄造6111鋁合金為研究對象，通過重力鑄造的方法制備3種鑄造鋁合金，采用熱力學軟件Thermo-Calc作為輔助，模擬合金添加Cu、Sc后對析出相的形核溫度及析出順序的影響。通過光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、能量色散譜儀（EDS）和拉伸實驗等，研究加入Cu和Sc對Al-Mg-Si微觀組織和力學性能的影響。

1 實驗

本實驗所選用的鑄造6111鋁合金理論成分如表1所示。首先按合金元素的質(zhì)量比進行配料，將石墨坩堝在200℃預熱2 h后，放入中頻感應(yīng)爐（型號為KGPS-CL-100）中進行熔煉，按表1的鋁合金中所設(shè)置的元素添加，在760℃熔化后，分別加入Al-Cu50中間合金、Al-Sc2中間合金，本次所添加的合金均為蘇州市正德稀土材料有限公司所出售。熔煉過程需充分均勻攪拌，靜置30 min后，將熔融的鋁熔液倒入模具中冷卻。隨后將鑄錠經(jīng)過線切割成一個直徑為20 mm，厚度為10 mm的圓柱式樣。再通過X射線熒光光譜儀（型號為S8 TIGER）對元素進行檢測，結(jié)果如表2所示。采用線切割從鑄錠中取樣，試樣經(jīng)砂紙和拋光液拋光后，采用科勒試劑（配比為：95 mL水、2.5 mL HNO3、1.5 mL HCl、1.0 mL HF）進行腐蝕，采用金相顯微鏡（型號為AXIO IMAGER.A2M）分析其金相組織。隨后通過掃描電子顯微鏡（型號為FEI TECNAI G2 F30）觀察試樣，對鑄態(tài)微觀組織進行觀察，掃描模式為背散射電子呈像模式。根據(jù)相關(guān)標準切取拉伸試樣，采用英斯特朗材料萬能試驗機（型號為8801）進行室溫力學性能測試，拉伸速率為2 mm/min，測量屈服強度、抗拉強度和延伸率等力學性能數(shù)據(jù)。并使用掃描電鏡（型號為FEI TECNAI G2 F30）觀察拉伸實驗得到的斷裂面，呈像模式為二次電子成像，對其斷口形貌進行觀察。

表1 6111鋁合金理論成分

表2 3種合金實際化學成分

2 實驗結(jié)果

2.1 熱力學模擬計算

使用熱力學軟件Thermo-Calc2021b，選用TTAL7數(shù)據(jù)庫，根據(jù)表2的成分，采用Scheil模型計算其非平衡凝固路徑，該模型假設(shè)在固體中無擴散，在液體中無限擴散，從而預測在凝固過程中相的形成，計算得到3種合金非平衡凝固過程形核的順序及溫度，各個相的結(jié)晶溫度和凝固順序見表3。

表3 各個相的結(jié)晶溫度和凝固順序表

由表3可知，A1合金在從液相變成固相過程中，依次生成的析出相及其凝固溫度，分別包括-Al、-Fe、Mg2Si、-AlFeMgSi、共晶硅等，凝固溫度依次為649.3℃、608.0℃、567.1℃、565.1℃、557.5℃。A2合金的模擬凝固順序表明，這種合金添加含量為0.9%的Cu元素，與基體合金相比，其會產(chǎn)生更多的金屬間化合物，分別包括-Al2Cu、-AlCuMgSi；對比基體合金，-Al、-Fe、Mg2Si、-AlFeMgSi、共晶硅等的凝固溫度依次在下降，-Al下降2.3℃，-Fe下降3.0℃，Mg2Si下降12.6℃，共晶硅下降24.8℃。由此可見，Cu對6111鋁合金各個相的結(jié)晶有著重要的影響，這是由于添加Cu后在凝固過程中產(chǎn)生的溶質(zhì)原子被固相排到液固界面前沿，導致成分過冷，析出相的結(jié)晶溫度變低[12]。A3合金所添加的合金含量為0.9% Cu和0.2% Sc，與A1合金和A2合金相比，凝固過程中多出少量Al3Sc。通過對比A1合金可以發(fā)現(xiàn)，-Al、-Fe、Mg2Si、-AlFeMgSi、共晶硅結(jié)晶溫度均有所下降，依次為-Al形核溫度下降1.6℃，-Fe形核溫度下降2.8℃，Mg2Si形核溫度下降12.4℃，-AlFeMgSi形核溫度下降12.5℃，共晶硅形核溫度下降28.0℃。相比于A2合金，-AlCuMgSi、-Al2Cu析出溫度分別下降1.5℃、0.9℃。由以上數(shù)據(jù)可知，Cu、Sc的加入均對6111鋁合金的凝固過程初生相的結(jié)晶溫度有所影響。由于Sc在高溫為α-Al提供非均勻形核的形核點，降低-Al形核需要的過冷度，因此結(jié)晶所需形核功降低，故析出相的凝固溫度有所降低[13]。

2.2 微觀組織

2.2.1 金相組織

使用Image j軟件，采用截取法，以100個枝晶為樣本，對晶粒尺寸進行統(tǒng)計后，得到圖1所示的晶粒尺寸圖。

圖1 3種合金的晶粒尺寸圖

由圖1可知，Cu、Sc的添加均對晶粒尺寸產(chǎn)生巨大的影響。隨著Cu、Sc的添加，等軸晶粒開始增加。晶粒細化的原因分別包括以下幾點：（1）常溫下，Cu在-Al中的最大溶解度為5.7%，Sc在-Al中的溶解度接近于0，因此在結(jié)晶過程中，溶質(zhì)原子會被固相推到液相前沿，導致成分過冷，抑制-Al長大，從而促進晶粒細化；（2）Sc在高溫時會和鋁離子形成Al3Sc，該二次相的晶格參數(shù)為=0.413 nm，Al原子的晶格常數(shù)為=4.049 7 nm，兩者的錯配度很小，可為-Al形核提供形核點，降低形核所需的形核功，從而提高形核率，實現(xiàn)晶粒細化。從圖1可以明顯觀察到，相比基體合金，A2、A3合金晶粒尺寸分別下降19.58%、33.89%。符合熱力學模擬所得到的預測效果。

2.2.2 SEM組織

隨著Cu、Sc的添加，從微觀組織中觀察到的孔洞是先增多后減少的。3種合金氣孔體積占比見圖2。

圖2 3種合金氣孔體積占比

由圖2可知，3種合金的氣孔體積占比，氣孔的數(shù)量先增多后減少。通常氣孔會造成鋁合金產(chǎn)生裂紋，減小密度，使應(yīng)力集中導致斷裂。孔洞的形成主要由合金中的H2、O2等氣體在凝固過程中排出導致，其次是金屬間化合物的形成，阻礙了鋁溶液的填充，從而產(chǎn)生孔洞[14]。由前面的熱力學計算可得知，A2合金相比于A1合金多產(chǎn)生-AlCuMgSi、-Al2Cu等金屬間化合物，這是導致孔洞體積比上升的原因。3種鑄態(tài)鋁合金SEM微觀組織圖如圖3所示。關(guān)于白色共晶組織的具體含量，正如表4中EDS測試后所得到的結(jié)果，其中大致包括富鐵相（-AlFeSi、-AlFeMgSi）和富銅相（Al2Cu、-AlCuMgSi）。Sc的表面活性較強，能與熔液中的H作用生成難溶物質(zhì)，減少凝固過程中H2的析出，從而減少氣孔的產(chǎn)生[15]。

(a) A1 (b) A2 (c) A3

圖3 SEM微觀組織圖

表4 圖3中各符號的對應(yīng)含量圖

注：—表示無數(shù)據(jù)。

從圖3(a)中可以觀察到，基體表面有些許氣孔，灰色物質(zhì)為-Al，沿著晶界分布的白色物質(zhì)為共晶組織，形貌包括很多類型，包括長針狀、塊狀、羽毛狀、短桿狀及其他不規(guī)則狀，根據(jù)表3得知EDS所檢驗到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒狀的物質(zhì)為Mg2Si，長針狀的為-AlFeSi，短桿狀的為-AlMgFeSi，符合熱力學模擬得到的結(jié)果；從圖3(b)發(fā)現(xiàn)，相比于A1合金，在A2合金的微觀組織中開始發(fā)現(xiàn)大塊難熔的共晶組織，這符合前面描述的由于溶質(zhì)原子的增加，所導致的產(chǎn)生更多難溶的共晶組織，A2合金中的金屬間化合物長度和面積有所減小，這是由于凝固過程中，溶質(zhì)原子堆積導致的成分過冷，凝固所需過冷度降低的原因。從圖3(b)中觀察到，除氣孔外，灰色物質(zhì)是-Al，白色物質(zhì)是共晶組織，其形狀各有不同，包括針狀、塊狀、短桿狀、點狀，從表4中得知β-Al為針狀，但相對于A1長度有所減小，后文會有關(guān)于富鐵相的具體分析。從圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)相比于A1、A2合金，灰色物質(zhì)是α-Al基體，白色物質(zhì)為共晶組織，并且共晶組織形態(tài)各異，包括針狀、短桿狀、塊狀、羽毛狀等。具體成分如表4所示，其中Mg2Si呈點狀，-AlFeSi呈塊狀，-AlMgFeSi短針狀，-Al2Cu呈短桿狀，-AlCuMgSi呈塊狀，少量Al3Sc分布在共晶硅表面。由以往的報告得知，在凝固過程中，由于添加的Fe隨著溫度的下降，在-Al中的溶解度越來越低，F(xiàn)e原子因此會從固相被推到液固界面前沿，最終在常溫下形成針狀或者塊狀的-Fe共晶組織，造成對基體的割裂，從而導致應(yīng)力集中，成為材料內(nèi)部的斷裂源，因此富鐵相尺寸成為衡量力學性能的一個重要指標[16]。

AlFeMgSi SEM/EDS示意圖如圖4所示，Si原子聚集的形狀呈針狀，F(xiàn)e元素大量偏聚在Si表面。Mg元素分布比較均勻，π-AlFeMgSi相呈短桿狀。-AlFeSi SEM/EDS示意圖如圖5所示，Si元素和Fe元素的分布呈粗大針狀。根據(jù)圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)，采用Image J軟件對合金中的富鐵相長度進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示，隨著Cu、Sc的添加，相對A1合金，A2、A3合金的長度分別減少25.7%、32.6%，減小對力學性能的損害。

圖4 π-AlFeMgSi SEM/EDS示意圖

圖5 β-AlFeSi SEM/EDS示意圖

圖6 3種合金富鐵相平均尺寸

2.3 力學性能

鑄態(tài)Al-Mg-Si合金的力學性能見表5。從表5中觀察到，隨著Cu、Sc的添加，合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率均有較大幅度提高，其中A3合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率分別為189 MPa、223 MPa、13.8%。相比于基體，A2、A3的屈服強度分別提高59.03%、127.1%；A2、A3的抗拉強度提高30.3%、189.2%；A2的延伸率基本不變，A3延伸率提高119%。這是由于Cu、Sc的添加，導致溶質(zhì)原子在液固界面前沿富集，形成成分過冷，抑制晶核的長大，減小晶粒尺寸。此外，凝固過程中，Sc的表面活性較強，減小熔液的表面張力，減小潤濕角，從而降低合金所需的過冷度，提高形核率。

表5 3種合金的力學性能

3 結(jié)論

（1）通過Thermo-Calc熱力學計算軟件模擬，發(fā)現(xiàn)基體合金在非平衡凝固過程中，除基體-Al、共晶硅，伴隨生成-AlFeMgSi、-Fe等富鐵相。

（2）從拉伸實驗結(jié)果得知，成分為0.9% Cu和0.2% Sc對6111鋁合金力學性能有顯著提升，屈服強度、抗拉強度、延伸率達到189 MPa、223 MPa、13.8%，相對基體分別提高127.1%、189.2%、119%。

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Study of the Effect of Cu and Sc Addition on Cast Al-Mg-Si Alloys

The article uses gravity casting method to prepare three sets of alloys and studies the effect of adding Cu and Sc on the microstructure and mechanical properties of cast aluminum alloys. Using Thermo-Calc thermodynamic calculation software, simulate the solidification process of aluminum alloy in non-equilibrium state, and analyze its microstructure and mechanical properties through optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and tensile experiments. From the results, it was found that the components with the best mechanical properties were 0.9% Cu and 0.2% Sc, with a yield strength of 182 MPa, a tensile strength of 220.86 MPa, and an elongation of 14.15%. Compared to the matrix, the yield strength, tensile strength, and elongation increased by 62.5%, 39.79%, and 58.81%, respectively.

aluminum alloy; casting; Thermo-Calc; microstructure

TG27

A

1008-1151(2023)11-0076-05

2023-03-24

國家自然科學基金廣西聯(lián)合基金（U20A20276）。

農(nóng)雄林（1994－），男，廣西平果人，廣西大學資源環(huán)境與材料學院在讀碩士研究生，研究方向為高強高韌鋁合金。