锶和硼复合变质对Al-Si-Cu-Mg合金组织及力学性能的影响

谭震林，周 全，张连腾，杨成刚

(南昌航空大学航空制造工程学院，南昌 330063)

0 引 言

铝硅合金因强度高、热稳定性、耐热性、耐磨性以及耐腐蚀性较好而广泛应用于交通运输业和航空航天等领域[1]。在铝硅合金中加入铜和镁后进行固溶和时效处理，生成的Al2Cu相和Mg2Si相对合金有一定强化作用，但合金力学性能的提高幅度在很大程度上取决于共晶硅和初生α-Al相的形貌与尺寸。α-Al相和共晶硅的细化方法主要有物理方法和化学方法，化学方法主要包括钠、锶、钾、硼、锑等元素的变质处理，物理方法主要包括超声波、机械振动及电磁场处理等[2-4]。在上述细化方法基础上进一步进行热处理可以提升合金的整体性能。

锶和硼是铝合金的主要变质剂，锶主要用于细化共晶硅相，硼主要细化α-Al相。WU等[5]研究发现，当加入0.25%(质量分数，下同)锶时，共晶硅由针状或短棒状变为颗粒状，初生α-Al相的粗枝晶完全细化，并且抗拉强度和伸长率分别提高了36.9%和58%。LIU等[6]研究发现，锶的加入使A383合金的共晶硅由针状转变为细小纤维状，同时合金伸长率大幅提高。MA等[7]研究发现，在7075铝合金中添加00.2%锶后，随着锶含量的增加，合金断裂模式由脆性断裂变为韧性断裂，且抗拉强度提升了4%。汪闽等[8]研究发现，加入0.06%锶可以使AlSi9Cu3合金中的共晶硅由粗大片状变为颗粒状；随着锶含量的增加，合金的力学性能先升高后降低，转折点为锶含量0.06%。李豹等[9]研究发现，添加锶后，Al-7Si-Mg合金中的共晶硅由针状或片状变为纤维状；加入0.04%锶时，合金的抗拉强度和伸长率最大。丁超等[10]发现，在Al-7Si合金中加入0.03%硼时，晶粒细化效果最好。李小松等[11]发现硼可以使Al-7Si合金的初生α-Al由树枝晶变为细小柱状晶；当硼含量为0.036%时，合金组织细小而均匀，同时抗拉强度和伸长率分别提高了15%和68%。刘靓等[12]发现，加入0.3%Al-5Ti-B时，Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅尺寸明显减小。

Al-Si-Cu-Mg系铝合金具有较好的工艺性能和力学性能，逐渐替代一些钢铁材料在很多领域得到应用，有利于实现轻量化及节能减排的目的。航空航天和交通运输等行业的飞速发展对铝合金的性能提出了更加严格的要求。目前，关于单一硼或锶变质对Al-Si-Cu-Mg系铝合金凝固组织与性能影响的研究较多，但锶和硼复合变质的研究较少。为此，作者对Al-6Si-3Cu-0.3Mg合金进行锶变质、硼变质以及锶和硼复合变质处理，研究了变质前后铸态与T6态合金的组织与力学性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为自制的Al-6Si-3Cu-0.3Mg合金，合金中的铝、铜、镁、硅分别以铝块(纯度99.996%)、铜块(纯度99.99%)、镁块(纯度99.6%)和Al-20Si中间合金的形式加入。变质用硼和锶分别以Al-3B中间合金和Al-10Sr中间合金的形式加入。

采用坩锅电阻炉熔炼合金，将纯铝与Al-20Si中间合金熔化后加入纯铜与纯镁，当熔体温度为750 ℃时，分别加入Al-3B中间合金，Al-10Sr中间合金以及Al-3B和Al-10Sr中间合金，保温20 min后浇注到已预热至200 ℃的石墨铸型(内径为30 mm，外径为40 mm，高度为80 mm)中，得到铸态硼变质、锶变质、锶和硼复合变质合金。锶变质处理试样中锶质量分数为0.05%；硼变质处理试样中硼质量分数为0.03%；锶和硼复合变质处理试样中硼的质量分数为0.03%，锶的质量分数分别为0.025%，0.050%，0.075%。用相同工艺，不添加变质剂制备了铸态未变质合金。对变质及未变质合金进行T6热处理，即在495 ℃下保温8 h水淬，然后在170 ℃下保温8 h空冷。后文如无特指，锶和硼复合变质时的锶含量(质量分数，下同)均为0.050%。

1.2 试验方法

采用线切割法截取试样，经研磨和抛光后，使用体积分数为0.5%的HF溶液进行腐蚀，采用XJP-6A型光学显微镜观察显微组织；通过S-viewer型图像分析软件对铸态合金初生a-Al晶粒平均尺寸和T6态合金共晶硅平均长度进行测量，每个试验条件下测5次取平均值；采用D8Advance型X射线衍射仪(XRD)分析物相组成，扫描方式为步进扫描；采用WDW-200D型电子万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1，试样尺寸见图1，通过Quanta200型扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

图1 拉伸试样的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of tensile sample

2 试验结果与讨论

2.1 不同变质处理对显微组织的影响

铸态未变质和变质试验合金的组织中均存在初生a-Al相和共晶硅相，铸态共晶硅相形态变化不大，不作详述。由图2可以看出：铸态未变质试验合金中初生α-Al树枝晶较为粗大，锶变质处理后合金的组织形貌变化不大；硼变质处理后，试验合金中的初生α-Al相细化，一次枝晶变短；锶和硼复合变质处理后，试验合金的组织形貌与硼变质处理后的相似。

图2 未变质和变质处理后试验合金的铸态显微组织Fig.2 As-cast microstructures of unmodified (a) and modified test alloys: (b) strontium modification; (c) boron modification and (d) strontium and boron compound modification

由图3可以看出：经T6热处理后，未变质试验合金中存在3种不同的相。点A处的颗粒状化合物中含有大量硅和少量铝元素，为共晶硅相；点B处仅含有铝元素，为α-Al基体相；点C处含有大量铝和少量铜元素，为Al2Cu相。

图3 T6态未变质试验合金的SEM形貌及EDS谱Fig.3 SEM morphology (a) and EDS spectra (b-d) of unmodified test alloy in T6 state: (b) point A; (c) point B and (d) point C

由图4可以看出,T6态未变质和变质试验合金的组织均由α-Al、共晶硅和Al2Cu相组成，其中未变质及硼变质合金中的共晶硅呈长条状，锶变质以及锶和硼复合变质处理合金中的共晶硅为颗粒状和短棒状。

图4 未变质和变质处理后试验合金的T6态显微组织Fig.4 Microstructures of unmodified (a) and modified (b-c) test alloys in T6 state: (b) strontium modification;(c) boron modification and (d) strontium and boron compound modification

由图5可以看出：未变质合金的初生晶粒(铸态a-Al树枝晶)平均尺寸和共晶硅平均长度最大；锶变质处理后，初生晶粒平均尺寸仍较大，但共晶硅平均长度显著减小；硼变质处理后，初生晶粒平均尺寸显著减小，共晶硅平均长度略有下降；锶和硼复合变质处理后，合金的初生晶粒平均尺寸和共晶硅平均长度均明显减小。未变质处理时，α-Al相与共晶硅自由生长，晶粒得以充分长大。硼变质处理后，合金中会形成高熔点化合物AlB2，AlB2与α-Al相具有较好的界面共格关系，可成为α-Al相的形核基底，增加其形核核心，从而使α-Al相细化[8]。锶变质处理时，铝硅相中硅的生长受到阻碍，大量合金元素吸附在硅表面，造成硅原子堆积次序发生转变，硅晶体中产生大量孪晶，共晶硅由原来的台阶生长变为孪晶凹谷机制生长，进而导致共晶硅细化[4]。锶和硼复合变质后，初生α-Al与共晶硅均有所细化，由于锶含量超过0.04%，锶与硼发生反应生成大量锶、硼物质的量比为3…4的化合物[4]，部分锶和硼被消耗，细化和变质作用相比于单一硼或锶变质条件下的均有所下降，但影响不大。

图5 变质前后试验合金铸态初生晶粒平均尺寸和T6态共晶硅平均长度Fig.5 Average size of primary grains in cast state and average length of eutectic silicon in T6 state of test alloys before and after modification

2.2 不同变质处理对物相组成的影响

由图6可以看出，不同变质处理试验合金T6态组织中除含有较为明显的(光学显微镜可见)α-Al、共晶硅和Al2Cu相外，还生成了Mg2Si相。同时，锶变质合金中出现了SrSi相，硼变质合金中出现了AlB2相，而复合变质合金中两相同时出现。需要指出的是，变质处理合金中还可能含有锶、硼的其他化合物，但由于含量较少，XRD未能检测出。

图6 T6态未变质和变质处理后试验合金的XRD谱Fig.6 XRD patterns of unmodified and modified test alloys in T6 state

2.3 锶含量对复合变质合金显微组织的影响

由图7可以看出，不同锶含量(0.025%～0.075%，质量分数)复合变质合金铸态组织中的α-Al均为树枝晶，随着锶含量的增加，α-Al相逐渐粗化。

图7 不同锶含量复合变质试验合金的铸态组织Fig.7 As-cast microstructures of compound modified test alloys with different strontium content

由图8可以看出：当T6态复合变质合金中锶含量为0.025%时，共晶硅基本呈颗粒状；当锶含量增加到0.05%后，出现少量短棒状共晶硅；当锶含量增至0.075%后，短棒状共晶硅增多，少量呈长条状。由图9可知，随锶含量增加，复合变质合金的初生晶粒平均尺寸略有增大，共晶硅平均长度则先减小后增大。α-Al相的形貌变化对共晶硅的分布有较大影响，硼的加入使试验合金中α-Al树枝晶有所细化，共晶硅分布变得更均匀。当添加0.025%锶时，一方面锶导致共晶硅由台阶生长变为孪晶凹谷机制生长，共晶硅细化；另一方面锶与硼反应生成SrB6，该颗粒相对共晶硅也具有一定的变质作用。因此，共晶硅尺寸相比于单一硼变质的减小。但反应消耗了硼，导致了初生晶粒尺寸的增大。当锶含量较高(>0.04%)时，部分锶与硼发生反应生成物质的量比为3…4的锶硼化合物而消耗，细化作用减弱，因此初生α-Al和共晶硅继续粗化。

图8 不同锶含量下复合变质试验合金的T6态显微组织Fig.8 Microstructures of compound modified test alloys with different strontium content in T6 state

图9 不同锶含量下复合变质试验合金的铸态初生晶粒平均尺寸和T6态共晶硅平均长度Fig.9 Average size of primary grains in cast state and average length of eutectic silicon in T6 state of compound modified test alloys with different strontium content

2.4 力学性能

由图10可以看出：T6态未变质和变质处理试验合金的抗拉强度较铸态的均有大幅提升；变质处理方式对铸态合金的抗拉强度影响不大，未变质、硼变质、锶变质、复合变质T6态合金的抗拉强度则依次增大；硼变质T6态合金伸长率较铸态的有所增加，而锶变质和复合变质T6态合金的伸长率则有所下降；与未变质处理铸态合金相比，复合变质铸态合金的抗拉强度和伸长率分别提高了3.71%和13%，复合变质T6态合金的抗拉强度提高了33.6%，但伸长率降低了41.9%。变质处理合金力学性能的差异与共晶硅和初生α-Al相的大小、形态及分布等因素有关。未变质处理时，合金中α-Al树枝晶粗大，共晶硅长度亦较大，故合金强度偏低。变质处理后合金中α-Al相和共晶硅均得到不同程度的细化，因此合金强度得到提高。与铸态的相比，T6态试验合金强度提高的原因主要是由于Al2Cu相和Mg2Si相的固溶和时效强化作用。

图10 铸态和T6态未变质和变质后试验合金的抗拉强度和伸长率Fig.10 Tensile strength and elongation of unmodified and modified test alloys in as-cast and T6 states

由图11可以看出：随着锶含量的增加，铸态复合变质合金的抗拉强度变化不大，T6态合金的抗拉强度则逐渐升高；铸态和T6态合金的伸长率均先升高后降低，锶含量为0.025%时的伸长率最大。随着锶含量的增加，虽然α-Al基体有所粗化，但由于锶对CuAl2相的细化作用，CuAl2相的固溶和时效强化效果增加，故T6态合金的抗拉强度逐渐升高。共晶硅的形貌和分布对合金伸长率的影响较大:当添加0.025%锶时，共晶硅由长条状变为颗粒状，对合金基体的割裂作用减弱，故伸长率有所提高；锶含量高于0.050%时，一方面Al4Sr硬脆相在晶界上堆积，使晶界弱化，合金塑性降低，另一方面，过多的锶会加重熔体的吸气倾向，促使合金中产生气孔、疏松等铸造缺陷，从而使塑性下降[8]。

图11 不同锶含量下铸态和T6态复合变质试验合金的抗拉强度和伸长率Fig.11 Tensile strength and elongation of compound modified test alloys in as-cast and T6 state with different strontium content

2.5 断口形貌

由图12可以看出：T6态未变质处理合金拉伸断口中存在较大的解理面、较多的凹坑及少量撕裂棱，呈典型脆性解理断裂特征；锶或硼变质处理后，撕裂棱有所增多，凹坑减少，且锶变质处理后解理面减小，但硼变质处理后解理面仍较大；复合变质处理后，解理面进一步减小，撕裂棱明显增多且变短，呈准解理断裂特征。

图12 T6态未变质和变质后试验合金的拉伸断口SEM形貌Fig.12 SEM morphology of tensile fracture of unmodified (a) and modified (b-d) test alloys in T6 state: (b) strontium modification;(c) boron modification and (d) strontium and boron compound modification

3 结 论

(1) 硼变质、锶变质、锶和硼复合变质均可细化铸态与T6态试验合金组织，提高抗拉强度，其中复合变质处理的效果最为显著；与未变质处理的相比，复合变质处理后铸态合金的抗拉强度和伸长率分别提高了3.71%和13%，T6态合金的抗拉强度提高了33.6%，但伸长率降低了41.9%；T6态未变质和硼或锶变质处理合金的拉伸断口均呈解理断裂特征，复合变质合金解理面较小，且存在大量短撕裂棱，呈准解理断裂特征。

(2) 复合变质处理时，随着锶含量的增加，铸态合金中初生α-Al逐渐粗化，T6态合金中共晶硅平均长度先减小后增大，锶含量为0.025%，共晶硅尺寸最小。

(3) 随着锶含量的增加，复合变质铸态合金的抗拉强度总体变化不大，T6态合金的抗拉强度逐渐升高；铸态和T6态复合变质合金的伸长率先升高后降低，锶含量为0.025%，复合变质合金塑性最好。