1 导读

在航空航天、汽车制造等领域，铝合金因强度高、导热性好等优势，一直是选区激光熔化（SLM）技术的 “宠儿”。但 SLM 成形过程中，铝合金易出现的 “匙孔孔隙” 缺陷，却像一道坎 —— 这些微小的孔隙会直接降低零件致密度和力学性能，限制其工程应用。如何弄清匙孔孔隙的形成规律、找到优化方案？福建理工大学的研究团队给出了答案：他们通过建立高保真数值模型，首次在介观尺度下完整揭示了 AlSi10Mg 合金 SLM 过程中匙孔坍塌、气泡迁移到孔隙形成的全过程，还通过试验验证了扫描速度对孔隙的调控作用，为解决铝合金 SLM 成形缺陷提供了关键理论支撑。

2 研究背景

如今，增材制造（3D 打印）技术早已不是 “新鲜事”，其中选区激光熔化（SLM）凭借能自由加工复杂零件、成形精度高的特点，成为制造领域的 “明星技术”。简单来说，SLM 的原理就是 “层层打印”：先在基板上铺一层金属粉末，用高能量激光选择性熔化粉末形成固化熔道，再按 3D 模型逐层叠加，最终造出复杂零件。

AlSi10Mg 合金作为 SLM 常用的铝合金材料，凭借优异的综合性能，广泛用于航空航天的发动机零件、汽车的轻量化结构件等场景。但它有个 “先天短板”：粉末反射率高、易氧化，导致 SLM 成形时特别容易产生孔隙，而这些孔隙大多来自 “匙孔模式”—— 激光能量过高时，熔池表面会形成类似 “钥匙孔” 的凹陷（即匙孔），一旦匙孔坍塌，就会包裹气体形成气泡，最终凝固成孔隙。

此前，研究者们虽知道匙孔孔隙是关键问题，但受限于模拟方法，很难看清介观尺度下（微米级）的细节：匙孔怎么坍塌？气泡在熔池里怎么动？扫描速度到底如何影响孔隙？这些疑问一直没有明确答案。而福建理工大学张庆永副教授团队的研究，正是瞄准了这一痛点 —— 他们将离散元法（DEM）与流体体积法（CFD）结合，首次构建了能捕捉微观细节的多物理场模型，还通过试验验证了模拟结果，为 SLM 工艺优化提供了 “可视化” 的理论依据。

3 内容来源

这篇题为《稀土元素对铸造铝合金组织及耐蚀性能影响的研究进展》的综述文章，由广西科学院广西近海海洋环境科学重点实验室的刘宇婷硕士研究生、赵茂密正高级工程师，联合桂林理工大学及中国科学院海洋研究所的学者共同完成，发表在《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第10期。

文章全面总结了稀土元素在铸造铝合金中的核心作用，系统梳理了单一及多种稀土元素对合金微观组织和腐蚀性能的影响规律与内在机理，并对未来研究方向进行了展望，旨在为优化铝合金性能、拓展其工程应用提供理论参考。

4 研究亮点

这篇研究的核心价值在于 “精准” 与 “全面”：一方面，团队突破了传统模拟的局限，将离散元法（DEM）用于构建介观尺度的粉床模型（还原真实粉末颗粒堆积状态），再结合流体体积法（VOF）捕捉熔池自由液面变化，同时考虑了材料蒸发产生的反冲压力和马兰戈尼对流（熔池内的重要流动现象），建立了能还原 SLM 真实物理过程的高保真模型；另一方面，研究不仅揭示了 “匙孔形成 — 坍塌 — 气泡迁移 — 凝固成孔” 的完整链条，还通过对比不同扫描速度（500、1000、1500 mm/s）的模拟与试验结果，明确了扫描速度对熔池形态和孔隙的调控规律，更用光学显微镜、致密度测试等试验验证了模拟的准确性，做到了 “理论 + 实践” 双重支撑，为工业界优化 SLM 工艺参数提供了直接指导。

5 研究方法

为弄清匙孔孔隙的形成规律，团队采用 “数值模拟 + 试验验证” 的双路径研究方法：在数值模拟方面，首先用离散元法（DEM）构建了三维粉床模型（尺寸 1500 μm×500 μm×50 μm，基板尺寸 1500 μm×500 μm×400 μm），并导入 CFD 软件；热源选择高斯面热源（符合激光能量分布规律），通过公式计算激光热流密度；同时引入反冲压力模型（考虑材料蒸发对熔池的挤压作用），用有限差分法求解温度和压力分布，用流体体积法（VOF）捕捉熔池自由液面变化。模拟设定激光功率为 350 W，扫描速度分别为 500、1000、1500 mm/s，网格尺寸 5 μm 以保证计算精度。在试验验证方面，团队使用 SLM 125 HL 设备（配备 IPG 光纤激光器，波长 1080 nm）制备 AlSi10Mg 试样，用阿基米德排水法测致密度、维氏硬度计测硬度，将试样经砂纸研磨、抛光后用 Keller 试剂蚀刻，再通过光学显微镜观察金相形貌，对比模拟与试验结果以验证模型准确性。

6 内容解读

1 稀土元素在铸造铝合金中的作用

稀土元素在铸造铝合金中的作用主要体现在晶粒细化、变质处理、微合金化和提高耐腐蚀性四个方面。晶粒细化方面，稀土元素能显著减小铝合金晶粒尺寸，提高塑性和强度。工业上通过加入稀土细化剂实现晶粒细化，细化剂分为Al-Ti-B/C-RE和纯RE两类。稀土元素能与铝合金中的杂质元素形成化合物或物理夹杂物，减少晶界能量，抑制晶粒长大和结晶生长速率。变质处理方面，稀土元素对Al-Si铸造合金具有良好的硅相变质效果，稀土元素在Si相上富集，共晶Si的生长受到抑制，使共晶Si相细化、钝化。微合金化方面，通过合金熔炼法将稀土元素添加到铝合金中，稀土元素粉末或合金化合物在铸造前或铸造过程中被加入到铝合金熔体中，确保稀土元素在合金中的均匀分布，并有效发挥其细化晶粒、提高强度和耐热性能等作用。提高耐腐蚀性方面，稀土元素能提高铸造铝合金的耐腐蚀性能。稀土元素的加入改善了合金的耐腐蚀性能，含Nd的合金耐腐蚀性能更好。此外，稀土及其氧化物对于改善涂层组织及性能具有重要作用。

图1　不同状态下合金中初生Si的平均面积、平均尺寸和Dy含量之间的关系

图2　Eu添加量对Al-16Si合金中初生Si三维形貌的影响

图3　A356和A356-Nd合金腐蚀初期SEM显微照片

图4　热腐蚀20 h和90 h后涂层的表面XRD图谱

2 单一稀土元素对铸造铝合金组织和耐腐蚀性能的影响

详细探讨了稀土元素对铸造铝合金组织和耐腐蚀性能的影响。Sc元素作为晶粒细化剂和改性共晶Si的元素，能显著提高Al-Si和Al-Cu系铸造合金的力学性能和耐腐蚀性能。研究表明，微量Sc的添加能减少含Fe相的长度和数量，Al3Sc相的析出能提高合金在高温下的力学性能和腐蚀性能。Y元素作为晶核形成剂，能促使铝合金中形成更细小、均匀的晶粒，提高合金的耐腐蚀性能。La元素能有效抑制铝合金晶粒的长大，使晶粒尺寸更细小、更均匀，从而提高合金的耐腐蚀性能。Ce元素对铸造铝合金的微观组织具有一定的影响，同时具有细化和改性效果，适量的Ce添加能提高铸造铝合金的耐腐蚀性能。整体而言，稀土元素的添加对铸造铝合金的组织结构和性能有显著影响，能提高合金的力学性能和耐腐蚀性能，对铝合金的应用具有重要意义。

图5　铸态含Sc的Al-11.6Si合金在250 ℃下热暴露20 h后的TEM图像

图6　不同Y添加量下Al-9Si-0.5Mg的耐腐蚀性能

图7　不同La添加量下的Al-6Si合金的SEM图像

图8　Al-5Si-1Cu-Mg-xLa合金腐蚀形貌的SEM图像

图9　Al-12Si和Al-12Si-12Ce合金的SEM照片

图10　Al-15Ce、Al-30Ce和Al-50Ce合金在3.5%NaCl溶液中的阻抗谱

图11　不同Er含量下铸态和T6态合金的XRD图谱

图12　A356、A356-Er和A356-Er-Zr在3.5%NaCl溶液中浸泡168 h横截面的BSE显微图

图13　Al-11Si-3Cu-0.9Yb合金的SKPFM分析

3 多种稀土元素对铸造铝合金组织和耐腐蚀性能的影响

科技发展和市场需求推动了多种稀土元素在铸造铝合金中的混合使用，以提高合金的强度、耐热性和耐腐蚀性能。稀土元素的添加能够优化铝合金的晶粒结构，不同稀土元素具有不同的晶核形成能力和晶粒细化效果。研究表明，微量稀土元素Y、Sc能显著减小A356合金中α-Al枝晶间距，细化晶粒，使片状共晶Si部分纤维化。添加0.2%的Sc和0.2%的Y时，A356合金的组织细化效果最佳。适当添加（La+Yb）量能将针状β-Al5FeSi相转变为球形α-Al8Fe2Si相，共晶Si将长针状颗粒精炼成颗粒或圆形颗粒。稀土元素Ce、La和Sm的最佳含量分别为0.6%、0.4%和0.2%时，合金的综合力学性能最佳。0.6%（Pr+Ce）合金的晶粒尺寸最小。La和Sm的加入使Al-Si-Cu合金中的α-Al得到显著细化，共晶Si由针状变为棒状和颗粒状。Ce+Yb的最佳添加量为0.4%。不同稀土Sc和Er添加量对A360合金的影响表明，沉淀相Al（Sc， Er）2Si2是通过添加Sc和Er元素形成的，共晶Si相从粗块状和不规则多边形演变为颗粒形貌。多稀土元素的添加还能更全面地改善合金的耐腐蚀性能，不同稀土元素形成的保护性氧化物膜或其他表面层具有互补的效果。微量Sc和Y的复合添加可以提高冷拔Al-0.2Ce合金的耐腐蚀性能。T6热处理下压铸Al-10Si-3Cu-0.6（La+Yb）合金的耐腐蚀性能研究表明，在合金中加入混合稀土时腐蚀程度降低。T6热处理和0.6%（Pr+Ce）添加量的组合使合金的耐腐蚀性能最佳。稀土元素（Ce、La、Y、Nd、Gd）对Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极性能的影响研究表明，稀土的加入降低了阳极的开路电位，提高了其自腐蚀性能和活化性能，同时晶粒细化明显，含有Ce、La、Y和Nd阳极的电流效率分别超过90%。稀土阳极具有显著的抗菌性能。综上所述，多稀土元素协同添加到铸造铝合金中，不仅细化合金晶粒的效果更佳，还可以形成更为复杂和多样化的强化相，显著提高铝合金的力学性能和耐腐蚀性能。

图14　不同改性条件下AlSi5Cu1Mg合金在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡12 h时的质量损失和析氢速率

7 结语与展望

稀土元素显著改善铸造铝合金的微观组织和耐腐蚀性能，具有广泛应用前景。单一稀土元素作用有限，多稀土元素协同添加能更全面地提升合金性能。未来需探索最佳稀土元素组合和添加量，降低成本，寻求环保和资源利用效率的可持续解决方案。

8 中英文引用格式

刘宇婷， 赵茂密， 付俊伟， 等. 稀土元素对铸造铝合金组织及耐蚀性能影响的研究进展［J］

本文转载自：《特种铸造及有色合金》