原标题：稀土元素 La 对铸造 Al-Si-Cu-Mg合金组织及性能的影响

摘要

采用均等梯度对照试验法研究了稀土元素La对铸造Al-9Si-1.5Cu-0.4Mg合金组织、力学性能、热裂敏感性和流动性的影响。结果表明，添加La元素能够显著细化合金晶粒，随着La含量的增加合金二次枝晶臂间距呈先减小后增大的趋势；La的加入提高了共晶Si变质率，添加0.10%La的合金中，共晶Si基本呈珊瑚状；合金组织均由初生α-Al、共晶Si、θ-Al2Cu、Q-Al5Cu2Mg8Si6和Ⅱ-Al8Mg3FeSi6相组成。La含量达到0.10%后开始出现富La相，随着La的增加，富La相尺寸逐渐增大。当La含量为0.10%时，合金综合性能最优：室温抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为364 MPa、219 MPa和6.5%；热裂敏感系数为6，较基体合金降低80%；流动长度为937 mm，较基体合金提高48.0%。

在铸造铝合金中，Al-Si合金以其低密度、高比强度、优异的导热性及良好的铸造工艺性等优点，成为航空航天、汽车制造与轨道交通领域的核心轻量化材料。尤其在汽车工业中，轻量化需求驱动铝合金市场渗透率显著提升——据行业实践，车重每降低10%，油耗可减少6%~8%，这促使铝合金在动力总成、底盘系统及车身结构中的应用占比突破40%。随着汽车工业中发动机技术的发展面向小型化、高功率以及高爆发压力，现有铸造Al-Si合金的性能需进一步提高。

目前，工业上应用较多的Al-Si系铸造铝合金为ADC12（Al-Si-Cu系），其产量约占国内铝合金总产量的32%，约占国内再生铝合金产量的75%，常应用于汽车发动机部件、电子外壳及通信设备等，在流动性、成本效益及规模化生产方面优势突出，但仍存在伸长率较低、脆性倾向大、热裂敏感性较高等缺陷。结合工业实践及研究数据，ADC12合金在应用过程中也存在铸造缺陷敏感性高、工艺表面处理局限性及力学性能短板等问题。

在优化合金成分、提高综合性能方面，稀土元素的引入为铝合金研究提供了新方向。研究表明，稀土元素的加入能与铝合金中多种元素反应并形成稳定化合物，从而净化合金熔液，改善合金组织性能。Lu等在A356合金中引入稀土元素La，发现La的加入并未明显改善合金的抗拉强度，但伸长率明显提高，达到5.8%；少量La的加入可以使共晶Si组织细化，使其形貌更加均匀，纤维状结构更加明显，共晶Si颗粒形貌和尺寸的改善也是合金伸长率提升的重要原因。Zheng等研究发现，Al-6Si合金中α-Al晶粒平均尺寸随着La的增加而减小，La质量分数为0.06%时晶粒尺寸减小48.4%，共晶Si颗粒也得到改性，平均长度降低48.2%，合金伸长率从6.7%增加到12.9%。另外，稀土元素对于合金铸造性能也有着十分重要的影响，宋宪臣等研究表明，稀土La和Yb的添加能够细化α-Al晶粒，改善共晶Si形态，进而缩小合金凝固区间，降低热裂倾向。戚忠乙等发现，微量稀土La的加入能够同时作用于Al-7Si合金中α-Al枝晶细化和共晶Si变质，进而提升合金热导率及力学性能。Tsai等研究表明，合金流动性在一定程度上取决于晶粒细化程度，更细的晶粒有助于合金流动性的提高。因此，本课题选择引入稀土元素La，探究La含量对Al-Si-Cu-Mg合金微观组织、力学性能、热裂倾向及流动性的影响，并确定La的最优添加量。

01 试验材料与方法

试验以Al（纯度≥99.9 %）、Al-20%Si、Al-50%Cu、Mg（纯度≥99.7%）、Al-10%La、Al-10%Ti、Al-10%Sr为原材料。基体合金采用本课题组调控优化后的Al-9Si-1.5Cu-0.4Mg合金，稀土La的添加量（质量分数）分别为0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%。采用重力铸造方法进行熔铸，熔炼设备为井式坩埚炉。首先将配置好的中间合金及纯Al、纯Mg原材料进行表面清洁，去除表面油污并保证材料干燥，在预热后的坩埚内表面刷涂料（硅酸钠和氧化锌按质量比1∶3配制成溶液）使其呈现黄色；然后将Al以及Al-20%Si、Al-50%Cu、Al-10%La、Al-10%Ti中间合金放入坩埚中，在750 ℃加热熔炼；待合金完全熔化后，加入六氯乙烷精炼剂进行精炼，搅拌扒渣后静置5 min；加入Al-10%Sr中间合金，静置15 min；最后将易烧损的纯Mg用铝箔包好，使用夹子压入铝液下面，防止纯Mg飘起与空气产生反应，静置3 min；再次对金属液搅拌扒渣后进行浇注。浇注模具材料为铸铁，壁厚30 mm，使用前不经预热，模具温度约25 ℃。浇注时，以夹具夹持坩埚自模具顶部匀速倾入熔体，浇注温度不低于690 ℃，待铸锭完全冷却至室温后开模取出。经ICP光谱仪测定，合金实际化学成分如表1所示。

表1 合金实际化学成分 wB/%

从浇注件上截取金相试样，经粗磨、细磨、抛光后，采用Quanta 650 FEG型和SEM5000Pro型场发射扫描电镜（SEM）观察合金微观组织，电压为20 kV、束斑直径为5.0 nm，并通过配备的能谱仪（EDS）进行微区成分分析。通过D/MAX-3C旋转阳极X射线衍射仪（XRD）分析合金的相组成。采用Image Pro-Plus软件计算合金中相的平均直径和面积分数。采用Instron-5569电子万能材料试验机进行室温拉伸测试，拉伸试样按照GB/T 228.1—2021规定进行加工，如图1所示，设置拉伸速率为2 mm·min¯¹。

图1 拉伸试样示意图

采用如图2所示的热裂约束杆试验装置对合金进行热裂敏感性测试，该装置由冒口和热裂约束棒模具组成。在模具内部及冒口处喷涂氮化硼脱模剂并将模具加热至300 ℃，用测温计进行实时温度监测，确保模具温度保持稳定，将熔炼好的合金熔液浇注到模具中，浇注温度为710 ℃，脱模后对试验数据进行分析。

图2 热裂约束杆试验装置示意图

采用“约束杆”钢模铸造法进行合金热裂敏感性评定，相关数学表达式如下：
          fHCS=∑（flength×flocation×wcrack） （1）

式中：fHCS为热裂敏感系数；flength为热裂纹棒长系数因子；flocation为热裂纹位置系数因子；wcrack为热裂纹宽度系数因子。

参数值如图2（c）所示。根据热裂纹形成的难易程度，将最长杆的flength设置为1，随着杆长的减小，后续杆依次设置为2、4、8、16、32，呈指数级增长；浇注时热裂杆和浇注通道之间连接处的形状变化最明显，热裂纹最有可能出现在连接处，因此将此处的flocation设置为1，然后根据热裂纹出现位置的不同，将末端设置为2，中间位置设置为3；最后根据热裂程度及裂纹宽度的不同，将半发裂纹的wcrack设置为1，发裂纹设置为2，半断裂设置为3，完全断裂设置为4。

采用如图3（a）所示的单螺旋型流动性模具测试合金流动性，模具温度为200 ℃。浇注时取大量合金熔液，持续浇注至熔液从冒口溢出，凝固后所得试样的长度可表征流动性。粘度测试数据由广测产品检验研究所提供，所用高温粘度计如图3（b）所示。

图3 流动性模具及粘度测试计

02 试验结果与分析

2.1 La 含量对铸态合金微观组织的影响

图4表明，不同La添加量下铸态合金均主要由α-Al、共晶Si、θ-Al2Cu、Q-Al5Cu2Mg8Si6和П-Al8Mg3FeSi6五种相组成。图5为不同La添加量下铸态合金的微观组织，Al基体呈现浅灰色，共晶Si相衬度略深，分布于Al基体上。为进一步明确金属间化合物的形貌与成分，对铸态合金微观组织进行EDS点分析，结果见表2。可知：未添加La的合金中，点1为亮白色块状θ-Al2Cu相；点2为Q-Al5Cu2Mg8Si6相，呈浅灰色复杂块状；点3是由杂质Fe所形成的汉字状П-Al8Mg3FeSi6相。上述3种第二相在五种不同La含量的合金中均可稳定检出，说明La微合金化并未改变合金的基本相组成。

图4 铸态合金的XRD测试结果

图5 不同La含量下铸态合金的微观组织

表2 图5中各点的EDS能谱分析结果

图5（f）-（h）为不同La添加量下合金中富La相的形貌。0.05%La合金中，由于La较少，未观察到可分辨的La富集区。La添加量为0.10%时，共晶Si附近首次出现亮白色、边缘光滑的短小片状富La相，见图5（f）。当添加0.15%La时，富La相尺寸显著增加，呈现亮白色粗片状，见图5（g）。当La添加量达到0.20%时，富La相进一步粗化，并穿插在α-Al基体和共晶Si之间生长。上述演化表明，富La相的体积分数和尺寸随La添加量增加而逐渐增加。

图6为不同La含量铸态合金的偏光金相组织。可以看到，随着La含量的增加，合金中枝晶组织先细化后又逐渐增大。未添加La元素时，α-Al枝晶粗大，形状不规则，枝晶边缘圆整度低，二次枝晶臂间距（SDAS）为15.5 μm。添加0.05%La后，枝晶边缘趋于圆滑，尺寸略有减小。当La添加量增加至0.10%时，细化效果最为显著，二次枝晶臂间距降至13.5 μm，降幅为12.9%，且枝晶形貌最为圆整。结合图中5高倍组织观察与EDS分析可知，0.10%La合金中，尺寸介于0.5~2 μm之间的富La相弥散分布，其与α-Al晶格匹配度较高，为α-Al提供了额外的形核位点，从而提升了形核率；同时部分La与Si原子结合，降低了溶质对晶界迁移的拖拽效应，抑制了晶粒的异常长大。继续提高La含量至0.15%、0.20%，富La相粗化并沿晶界富集，二次枝晶臂间距反而增大，说明过量的La会削弱细化效果。综上，0.10%La为本试验条件下铸态合金组织细化的最佳添加量。

图6 不同La含量下铸态合金偏光金相组织及平均二次枝晶臂间距统计

进一步分析La含量对合金中共晶Si相形貌和尺寸的影响。如图7所示，未添加La时，未变质的共晶Si相较多，其呈粗大块状分布于α-Al枝晶间，见图7（a）椭圆框。0.05%La合金中块状Si减少，珊瑚状共晶Si相增加，但变质尚不完全，见图7（b）椭圆框。随着La含量增加至0.10%，共晶Si相经过充分的变质，几乎全部转化为均匀细小的珊瑚状，见图7（c），这种细短珊瑚状的Si相在固溶处理中易熔断和球化，可显著提升合金性能。进一步提升La含量至0.15%、0.20%时，珊瑚状Si相尺寸未见进一步细化。

图7 不同La含量下铸态合金共晶Si相形貌

为更好地分析La对共晶Si的变质效果，对不利于合金性能的块状共晶Si相占所有Si相的比例、共晶Si颗粒的平均面积和平均长度进行统计，结果见图8。随La含量升高，未变质Si相比例、共晶Si的平均面积和平均长度均逐渐下降并趋于稳定。La含量为0.10%时，共晶Si的平均面积和平均长度降至最小值，分别为1.87 μm²和1.75 μm，相较于未添加La的合金分别减小了57.5%和55.2%。提升La含量至0.15%、0.20%，Si相的变质效果变化不大。因此，0.10%La为本试验条件下共晶Si变质的最优添加量。

图8 共晶Si颗粒与La添加量的关系

2.2 La 含量对合金力学性能的影响

图9为五种不同La含量铸态合金的室温应力-应变曲线和力学性能统计。可以看出，随La含量的增加，合金的抗拉强度波动变化，屈服强度变化不明显，伸长率先上升后下降。未添加La时，合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为346 MPa、234 MPa和4.1%；而当La添加量为0.10%时，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为364 MPa、219 MPa和6.5%，与未添加La的合金相比，抗拉强度提高5.2%，而伸长率增幅达58.5%，此时合金的综合力学性能最好。同时组织演化也表明，当La添加量为0.10%时，合金中α-Al枝晶组织和二次枝晶臂间距均降至最小，共晶Si的变质细化最为充分，因此合金抗拉强度和伸长率同步提升。而当La添加量增至0.15%、0.20%时，合金α-Al枝晶组织粗化，二次枝晶臂间距增大；富La相尺寸增加，呈粗片状分布于α-Al基体与共晶Si界面，此类硬脆相容易割裂基体，不利于其连续性，导致合金塑性降低。

图9 不同La含量下铸态合金的拉伸性能

2.3 La 含量对合金热裂敏感性的影响

为研究稀土元素La对Al-9Si-1.5Cu-0.4Mg合金热裂敏感性的影响，对未添加La和含0.10% La的合金进行热裂敏感性测试。如图10（a）、（b）所示，对由短到长的6根试棒分别编号1~6。由试验结果可知，未添加La的合金中3~6号试棒根部均出现裂纹，开裂程度依次增大，6号试棒根部裂纹深度与宽度最大，3号试棒只在表面出现轻微裂纹；而添加0.10%La的合金中，6根试棒均未出现明显热裂纹。

图10 0 La和0.10% La合金热裂敏感性试样

对试棒根部进行微观组织观察，如图11所示。未添加La的基体合金不仅产生明显的宏观裂纹，宏观裂纹周围还出现较多形状细长且连续的微观热裂纹，见图11（c）。而添加0.10%La的合金中只在试棒6的根部出现十分细小、长度不超过50 μm的微裂纹，见图11（d）。采用式（1）计算可得，基体合金的热裂敏感系数为30，而0.10%La合金的热裂敏感系数为6，降幅达80%。另外，由图6（f）可知，0.10%La合金的二次枝晶臂间距相比于基体合金降低12.9%，α-Al枝晶得到较大程度的细化，晶粒间的补缩距离变短，液相补缩通道增加，促使合金在凝固后期补缩能力提高，进而提高了合金的抗热裂性。

图11 0 La和0.10% La合金热裂纹微观形貌

未添加La和含0.10%La合金的DSC测试结果见图12。DSC曲线中，放热峰为向下的峰，吸热峰为向上的峰。对比分析发现，合金升温过程中，在580 ℃左右形成一个明显的高峰，为Al-Si共晶峰，而Al-Si合金中α-Al相变和Al-Si共晶反应均发生在577 ℃附近，两者相变温度接近，因此吸热峰在DSC曲线中重叠。与未添加La的合金相比，0.10%La合金的曲线更加平缓，在相变过程中能够更加均匀缓慢地释放能量，晶粒生长更为缓慢，有利于晶粒的细化。由DSC曲线确定两组合金的液相线温度（α-Al峰开始温度）和共晶温度（Al-Si共晶峰开始温度），0La合金的液相线温度为543.5 ℃，共晶温度为589 ℃，凝固区间相差45.5 ℃；0.10%La合金的液相线温度为545.5 ℃，共晶温度为584.5 ℃，凝固区间相差39 ℃。因此，稀土元素La的加入使合金凝固区间变窄，延长了共晶液相存在的时间，提升了合金凝固后期的补缩能力，从而有效降低了合金热裂倾向。

图12 0La和0.10%La合金的DSC曲线

2.4 La 含量对合金流动性的影响

如图13（a）、（b）所示，未添加La和0.10%La合金流动性试样的长度分别为633 mm和937 mm，后者相较于前者提升了48.0%。因此，0.10%La的添加量能够显著提升合金的流动性。通过流动性试样末端组织也能看出，未添加La的合金末端组织均匀性差，α-Al枝晶粗大且树枝晶较多，其凝固过程以树状晶和等轴晶混合生长模式进行；添加0.10%La的合金组织更加均匀，α-Al枝晶尺寸较小，呈等轴状，其凝固过程多以等轴晶生长模式进行。高温粘度测试结果也表明，在合金凝固过程中，0.10%La合金的熔体粘度更低，对应流动性最佳，见图14。

图13 0La和0.10% La合金流动性试样及流动性组织图

图14 0La和0.10%La铸态合金粘度测试结果

03 结论

（1）稀土元素La的添加对Al-9Si-1.5Cu-0.4Mg合金晶粒细化效果显著，La含量为0.10%时，合金二次枝晶臂间距最小，较未添加La时减小12.9%，组织细化效果最好。随La含量增加，共晶Si的变质程度提高并趋于稳定。添加0.10% La后，晶界处变质不充分的块状共晶Si基本转化为珊瑚状，Si相的平均长度和平均面积较未添加La时分别减小55.2%、57.5%。

（2）随La含量增加，合金抗拉强度波动变化，屈服强度变化不明显，伸长率呈先上升后下降。La含量为0.10%时，合金伸长率为6.5%，抗拉强度为364 MPa，与未添加La时相比分别提高了58.5%和5.2%。

（3）La的添加对合金铸造性能有较大提高。添加0.10%La后，合金的抗热裂性能显著提升，热裂敏感系数由30降至6，降幅为80%；同时合金的流动性和粘度也有较大提升，螺旋流动长度由633 mm 增加至93 7 mm，增幅为48.0%；凝固过程中，合金熔体粘度明显降低。

作者

谷欣硕，相志磊，杨子安，李继豪，韩杨，闫宇婷，陈子勇
北京工业大学 材料科学与工程学院

本文转载自：铸造杂志