原标题：Al-5Ti-1B 对铸造 A356.2 铝合金组织与性能的影响

摘要

以A356.2铝合金为研究对象，采用重力铸造方法研究Al-5Ti-1B对其组织与性能的影响。结果表明，添加1% Al-5Ti-1B显著细化了A356.2铝合金α-Al晶粒尺寸。同时细化的α-Al晶粒为共晶Si提供了更多、更均匀的形核位置，导致共晶Si的形貌以及分布状态发生变化，由长条状和长针状转变为短棒状和短针状，并且分布均匀。对铸件不同位置进行取样分析，结果表明，添加1% Al-5Ti-1B提高了A356.2铝合金流动性，减少了气孔，提高了铸件的致密性，最终导致其强塑性协同提升。添加1% Al-5Ti-1B后，铸件经T6热处理，A356.2合金铸件的平均屈服强度和伸长率分别达到224 MPa和4.5%，较A356.2 合金分别提升了10.1%和35.9%。

随着居民消费能力的提升，汽车成为家庭中不可或缺的一部分，能源消耗问题日益凸显。在国家“双碳”政策的不断驱动下，轻量化技术已成为汽车制造业转型升级的核心路径。相较于传统钢材，铝合金凭借其密度优势（约为钢的1/3）及优异的综合性能，逐步成为汽车零部件的优选材料。其中A356.2铝合金是美国铝业协会标准中的一种铸造铝合金，属于Al-Si-Mg系合金，具有良好的流动性，低的热裂倾向及较小的收缩率等优点，是应用最广泛、技术最成熟的铸造铝合金之一，在航空航天、新能源和汽车等领域中占据重要地位。但是A356.2铝合金在铸态下α-Al晶粒粗大，粗大板条状以及长针状形貌的共晶Si恶化了其力学性能，尤其是抗拉强度与塑性，导致产品不稳定，易造成零部件失效。目前常用于改善铝合金力学性能的方法主要有优化铸造工艺、热处理、调控合金成分与微观组织等。其中调控合金成分与微观组织能够显著细化晶粒，改善共晶Si形貌，提高合金的力学性能，因而得到了广泛应用。

目前铝合金常用的细化剂有Al-Ti-B、Al-Ti-C以及稀土元素，其中Al-Ti-B细化剂中含有大量TiB2粒子，可作为α-Al的形核质点促进形核，细化晶粒。研究表明，在工业上生产铝合金时，Al-Ti-C细化晶粒的效果不如Al-Ti-B，而稀土元素能够显著细化铝合金晶粒并且变质共晶Si形貌，但其价格昂贵，所以工业上通常使用Al-Ti-B细化晶粒。李等人研究了Al-Ti-B细化剂对6082铝合金组织的影响，结果表明，添加Al-Ti-B细化剂能够显著细化α-Al晶粒与富铁相尺寸，减少缺陷的产生。晁等人研究了不同含量的Al-Ti-B细化剂对7050铝合金组织与性能的影响，发现Al-5Ti-1B的细化效果最佳，同时力学性能显著提升。G.S.Vinod Kumar等人研究了Al-Ti-B和Al-Ti-C细化剂对LM25铝合金组织的影响，结果发现Al-Ti-B的细化效果更优异。

Al-Ti-B细化剂的添加量对A356.2铝合金铸件组织与性能至关重要，通常来说，细化剂添加量越多，晶粒细化效果越好，但当添加量超过某一值后，细化效果便趋于稳定，且过量添加会导致成本增加；同时TiB2颗粒聚集，形成夹杂物，并且Ti与Al形成粗大的板条状TiAl3相，导致合金塑性下降，且增加成本。添加量过少将导致细化效果不明显，性能难以满足需求。郭研究了A356铝合金中最佳的Al-5Ti-1B添加量，结果表明当添加量为0.65%时，A356铝合金的性能提升最明显。由于本试验是随工业生产进行的，在熔炼过程中Al-5Ti-1B会有损耗，所以，本研究利用传统重力铸造工艺，考察1%Al-5Ti-1B细化剂对A356.2铝合金铸件组织与性能的影响。利用金相显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对A356.2铝合金铸件不同位置进行取样分析，同时通过万能试验机对A356.2铝合金铸件的力学性能进行测试，以期为铸造高强韧铝合金的应用与开发提供参考。

01 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用的原材料为云南铝业股份有限公司生产的A356.2铝合金，其中Si6.5%~7.5%、Mg0.2%~0.4%、Fe≤0.2%、Cu≤0.2%、Mn≤0.1%、Zn≤0.2%、Ti≤0.2%（质量分数，下同）。

1.2 试验方法

采用重力铸造工艺生产A356.2铝合金零件，首先将预热后的A356.2铝锭放置于坩埚中，升温至750 ℃，待合金完全熔化后，充分搅拌并静置，随后通入99.99%的高纯氮气进行除气，去除表面浮渣后静置。在温度700~750 ℃时加入1% Al-5Ti-1B细化剂丝（AMG公司生产），均匀搅拌并静置，二次通入高纯氮气，搅拌，除气，扒渣，静置。浇注零件前，在铝液温度为730 ℃时，取一个炉前样，同时浇注螺旋线，最后浇注到预热300~350 ℃的金属型模具中，压铸成零件。该零件为圆形，直径为300 mm，侧面壁厚为20 mm，底面壁厚为15 mm，总质量为5 kg，并对该零件进行T6热处理。

图1为重力铸造生成零件的浇注过程、零件取样位置、拉伸试样以及浇注螺旋线示意图。采用线切割切取尺寸为5 mm×5 mm×5 mm的正方体金相试样，试样先通过金刚石砂纸从180#研磨至2 000#，然后用金刚 石抛光膏进行抛光 处理，并使用酒精进行超声清洗5min，最后使用0.5%（体积分数）HF溶液腐蚀60 s。采用金相显微镜（OM）与HITACHI SU8010 型扫描电子显微镜（SEM）结合EDS能谱观察与分析显微组织。利用维氏硬度计（MVS-1000IMT2）测试合金的显微硬度，对样品抛光表面施加300g的力，并保持10 s，测量10个以上的点以减少误差，最后结果取平均值。同时采用MTS-370.10拉伸试验机对长×宽×厚尺寸为36 mm×2 mm×2 mm的试样进行拉伸试验，拉伸应变速率为0.000 1 s-¹，相同试样取3个，最终结果取平均值。

图1 重力铸造、取样位置、拉伸试样以及浇注螺旋线示意图

02 结果与分析

2.1 Al-5Ti-B 对 A356.2 铝合金组织的影响

图2为添加和不添加Al-5Ti-1B细化剂的A356.2铝合金的铸态金相组织。从图中可以观察到，未添加Al-5Ti-1B时，A356.2铝合金的α-Al晶粒粗大，达到92.1 μm，同时共晶Si呈现出粗大的片状以及长针状形貌。添加1% Al-5Ti-1B后，A356.2铝合金的α-Al晶粒尺寸细化，为79.2 μm，并且由原来粗大树枝晶转变为等轴晶。同时共晶Si形貌发生明显改变，共晶Si形貌由原来粗大片状以及长针状形貌转变为短棒状以及短针状形貌，同时分布更均匀。Al-5Ti-1B对α-Al晶粒的细化作用主要归因于TiB2颗粒是为α-Al的形核质点，从而促进形核细化晶粒，而共晶Si形貌改善归因于细化的α-Al晶粒增加了共晶Si的形核位置，导致共晶Si在形核率提高，同时细晶界面对Si相的生长具有钉扎作用，阻碍其粗化。

图2 A356.2铝合金的铸态金相组织

为了进一步分析Al-5Ti-1B细化剂对A356.2铝合金铸态组织的影响，采用扫描电镜（SEM）结合能谱（EDS）对其进一步分析，如图3所示。EDS面扫分析表明该合金主要由Al、Si、Mg元素构成，A356.2铝合金主要由暗灰色基体α-Al、灰色的共晶Si以及少量白色的析出相构成。白色析出相可确认为Mg-Si相，并且发现Mg-Si尺寸较大。未添加Al-5Ti-1B细化剂，发现共晶Si尺寸较大，并且分布不均匀，而添加1wt% Al-5Ti-1B细化剂后，共晶Si尺寸减小，同时分布均匀，与金相观察结果一致。以上结果表明Al-5Ti-1B细化剂能够有效改善A356.2铝合金的组织。

图3 A356.2铝合金的铸态SEM组织以及EDS分析

2.2 Al-5Ti-1B 对 A356.2 铝合金流动性的影响

铝液的流动性越好，则螺旋线的长度越长。通过浇注螺旋线评价添加与不添加Al-5Ti-B对A356.2铝合金流动性的影响，如图4所示。从图中可以看出，未添加1%Al-5Ti-1B的A356.2铝合金的螺旋线长度按浇注先后顺序长度分别为125.2 cm、112.5 cm和101.2 cm，而添加1%Al-5Ti-1B的 A356.2铝合金的螺旋线长度按浇注先后顺序长度分别为130.2 cm、116.5 cm和108.5 cm，通过对比可以发现，添加1%Al-5Ti-1B A356.2铝合金的流动性明显更好，表明适量Al-5Ti-1B的加入可提高A356.2铝合金的流动性。

图4 A356.2铝合金流动性检测

2.3 铸件不同位置组织分析

添加与不添加Al-5Ti-1B的铝液随工业生产线进行铸造，对该铸件不同位置进行取样分析，如图1所示。图5为添加与不添加Al-5Ti-1B细化剂铸件不同位置的SEM图像。表1为不添加与添加1%Al-5Ti-1B细化剂铸件不同位置的晶粒统计图。从图中可以看出，该铸件组织主要由暗灰色的基体α-Al、灰色的共晶Si以及少量白色的Mg-Si相构成。未添加Al-5Ti-1B时，位置1远离浇口，属于最先凝固的位置，冷却速度较快，凝固时卷入空气较少，所以组织致密，孔洞较少。位置2处于铸件中心部位，冷却速度变慢，晶粒略有长大，共晶Si尺寸也较1位置大。位置3靠近浇注口，铝液温度最高，α-Al晶粒粗大，并且凝固时易卷入空气，所以孔洞较多。位置4处于薄壁位置，铝液冷却最快，所以α-Al晶粒尺寸相对较小，共晶Si分布也更为均匀。添加1% Al-5Ti-1B后，位置1的α-Al晶粒变化不明显，位置2和3的α-Al晶粒尺寸明显细化，添加1%Al-5Ti-1B相对于不添加的分别细化了14.5%和14.6%，位置4的α-Al晶粒尺寸略粗。表明冷却速率对Al-5Ti-1B细化效果有重要影响，Al-5Ti-1B在冷却速度较慢的情况下细化效果明显，主要是因为更多的形核位置能够充分形核，而较慢冷却速率下，冷却速率对形核的影响更大。同时发现，添加Al-5Ti-1B后，铸件的气孔有所减少，特别是在冷却速率较慢的条件下，归因于晶粒的细化，以及Al-5Ti-1B提高了铝液的流动性，促进充型，较少卷入空气，获得致密组织。

图5 铸件不同位置SEM图像

表1 铸件各位置晶粒尺寸大小

2.4 热处理后铸件不同位置组织分析

图6为经T6热处理后添加与不添加Al-5Ti-1B细化剂铸件不同位置的SEM图像。从图中可以看出，T6热处理后，白色析出相Mg2Si明显增多且尺寸明显减小，这是因为热处理后，固溶在基体中的Mg和Si以Mg2Si析出相大量析出。同时α-Al晶粒尺寸减小，共晶Si形貌由片状及针状形貌转变为圆点状和短棒状，且分布较均匀。未添加Al-5Ti-1B，可以观察到各位置组织中孔洞较多，而在添加Al-5Ti-1B后，各位置孔洞明显减少，组织更为致密。

图6 经T6热处理后铸件不同位置SEM图像

2.5 铸件不同位置力学性能分析

分别对T6热处理前后铸件不同位置进行显微硬度分析，结果如图7（a）和（d）所示。热处理前，添加与不添加Al-5Ti-1B的铸件硬度都在HV 65左右，各位置相差不大，其中位置3硬度相对更高。经T6热处理后，铸件各位置硬度显著提高，达到HV 110左右。未添加Al-5Ti-1B的铸件中，铸件各位置硬度起伏较大，这是由于该铸件较大，铸件冷却条件不一致，最终凝固组织存在差异，导致硬度相差较大。添加Al-5Ti-1B后，可以发现铸件各位置硬度相差不大，这归因于铝液流动性提高，使得在浇注过程中，铝液快速填充模具各位置，各位置的铝液温度相差不大，凝固时组织差异较小，所以硬度相差不大。

图7 热处理前后铸件不同位置硬度以及拉伸应力-应变曲线

对铸件各个位置进行拉伸性能测试，T6热处理前后铸件各个位置的拉伸曲线如图7（b）、（c）、（e）和（f）所示。热处理前，对比添加与不添加Al-5Ti-1B铸件各个位置的拉伸性能，发现添加1%Al-5Ti-1B 后铸件的屈服强度和抗拉强度整体提升了10 MPa左右，同时位置4的抗拉强度和伸长率最优异，抗拉强度为171.2 MPa，伸长率为8.5%，位置1的屈服强度最优异，强度为120.3 MPa。不添加Al-5Ti-1B铸件的屈服强度整体低于100 MPa，这是因为共晶Si尺寸较大，且为针片状，割裂基体，导致性能不佳。热处理后，铸件的抗拉强度与屈服强度显著提升，而且添加与不添加Al-5Ti-1B铸件的性能差异愈发明显。不添加Al-5Ti-1B，铸件伸长率相对于热处理前整体下降，而添加Al-5Ti-1B后，铸件在抗拉强度明显提升的同时伸长率并没有下降，并且铸件的屈服强度在220 MPa左右，高于不添加Al-5Ti-1B的200 MPa。

为了进一步分析断裂机制，对热处理前后添加和未添加Al-5Ti-1B铸件位置4的拉伸断口进行分析，如图8所示。从图中可以看出，在未添加Al-5Ti-1B时，断口上分布大量解理面及少量韧窝，属于脆性断裂。热处理后，断口解理面减小，导致强度提升。而添加Al-5Ti-1B后，铸件断裂解理面明显减小，且韧窝增多，属于韧脆结合的断裂方式，表现出平衡的强塑性。因此，添加Al-5Ti-1B细化剂后A356.2铝合金强塑性提升，且有效减少的性能波动。

图8 热处理前后铸件位置4拉伸断口SEM图像

03 结论

（1）添加1%Al-5Ti-1B细化剂有效细化了A356.2铝合金的晶粒，同时改善了共晶Si的形貌以及分布状态，其由粗的长条状、长针状转变为断的棒状、短针状，并且分布均匀。

（2）添加1%Al-5Ti-1B细化剂提高了铸件的流动性，有效减少了孔洞，提高了组织的致密度。

（3）添加1%Al-5Ti-1B有效提高了铸件的力学性能，经T6热处理后，抗拉强度与屈服强度提高了20 MPa左右，且塑性没有损失，同时减少了铸件力学性能的波动。

作者

曾根华1，冯俊鹏1，马腾飞1，王晓红1，吴凌剑2，吴凌锋2
1.全省空气动力装备智能制造重点实验室
2.浙江明道热能科技有限公司

本文转载自：《铸造杂志》