原标题：微量Sr和Er对铸造Al-Si-Cu合金组织和性能的影响

铸造Al-9Si-3Cu合金具有高的比强度、良好的流动性以及易回收性而广泛应用于轻量化零部件的制造。Al-Si系合金正常凝固的组织包含粗大的α-Al枝晶和针状共晶Si，这会引起应力集中，降低合金的力学性能，特别是塑性。因此，细化和变质共晶Si对于提高Al-Si系合金强韧性至关重要。

近年来，微合金化对Al-Si系合金具有显著的变质效果而被广泛研究和应用。有研究者用La改变了亚共晶Al-Si合金的形貌，提高了合金的力学性能，La含量为0.006%时，合金力学性能最佳。还有研究者发现Er可以使共晶Si分裂和球化，显著提高合金的力学性能。发现Yb有助于孪晶的形成，有效减小共晶Si的尺寸。在Sr变质的Al-5Si合金中发现共晶Si孪晶以70.5°方向分支。在Er变质的Al-10Si中，发现在基体和共晶Si中形成了细小的Al3Er颗粒，细化了共晶Si并提高了强度。

通过添加Ce和Sr，使得A356合金的铸态抗拉强度和伸长率分别达到了202 MPa和11.4%。用Cr替代Mn提高了Al-Cu-Er-Mg-Zr-Fe-Si-Ti合金的抗拉强度和伸长率，分别达372 MPa和6%。研究者发现，复合添加Gd和Zr后A356合金的强度和伸长率明显改善，添加质量分0.4%（质量分数，下同）的Gd和0.5%的Zr时合金力学性能最佳。此外，利用APT技术揭示了Sr存在于共晶Si和Al基体中，而Sc仅存在于共晶Si中，Sr和Sc原子的不同分布是共晶Si变质的关键因素。此外，经Al-6Sr-7La变质的A356.2合金力学性能也显著提高。然而，混合添加变质元素对Al-Si合金的变质和强化机制尚未有明确的结论。

本研究在Al-9Si-3Cu合金中加入总量少于0.1%的Sr和Er。通过透射电镜（TEM）对变质合金的微观组织变化进行表征，观察第二相颗粒的分布和尺寸，重点研究Sr和Er对共晶Si的变质和强化机制，为Al-9Si-3Cu合金的低成本微合金化技术提供新思路，有望拓展Al-9Si-3Cu合金的应用领域。

图文结果

试验主要原料为纯Al（99.9%）、纯Cu（99.9%）、Al-20Si、Al-10Sr和Al-10Er中间合金。将配置好的Al-9Si-3Cu合金放置在石墨坩埚中，调整电阻炉温度至780 ℃，待合金全部熔化，搅拌并静置30 min。待熔液温度下降至730 ℃，加入Al-10Sr和Al-10Er，保温30 min，再升温至750 ℃加入1%的C2Cl6，除气扒渣，静置15 min，待熔液温度降至730 ℃时，将其浇入200 mm×20 mm× 300 mm的水冷铜模中。本研究的6种合金化学成分见表1。

表1 试验合金的化学成分(%)

图1为不同合金的低倍微观组织。E00合金中主要包含针状共晶Si和枝晶状α-Al。单独加入Sr后，共晶Si尺寸明显下降，α-Al仍呈枝晶状，见图1b。加入Sr和Er变质后，共晶Si分布变得更加均匀和细小，枝晶组织也明显细化，见图1c~图1e。在仅添加Er的合金中可以发现共晶Si尺寸比未加Er和Sr的合金（E00）有所下降，但比含Sr合金要粗大，见图1f，这说明单独添加Er对共晶Si的变质效果没有单独添加Sr或者Sr、Er复合变质好。图2为不同合金的二次枝晶臂间距（SDAS）。可以看出，其SDAS值分别为47.5、47.1、28.3、19.8、24.1和24.6 μm，其中E43合金的SDAS最小，这表明添加0.04%的Sr和0.03%的Er对合金枝晶的细化最佳。E45合金的SDAS高于E43合金，这表明进一步增加Er含量并没有提高凝固组织中枝晶的细化效果。E03合金的SDAS和E43相近，这说明Er含量相同情况下，其对枝晶细化效果相近。从以上结果可知，Sr主要起变质共晶Si作用，而Er的加入可以进一步细化共晶Si，并主要起细化枝晶的作用。

图1 不同Sr、Er含量合金低倍微观组织

图2 不同Sr、Er含量合金二次枝晶臂间距

图3为不同合金的SEM形貌。可以看出，E00合金中存在大量粗大的α-Al相和针状共晶Si。仅加入Sr变质后，共晶Si显著细化，见图3b。当合金中加入0.04%的Sr和0.01%的Er时，共晶Si从针状向纤维状转变，枝晶被细化，呈近似椭球状，见图3c。随着Er含量增加，共晶Si进一步细化，α-Al转变为近球形，见图3d和图3e。从仅加Er的合金E03也可观察到枝晶组织和E43合金类似，这与图1中的低倍微观组织演变规律一致。图4为E45合金中不同元素的分布。可以看出合金中Al、Si和Cu元素的分布，而由于添加量较小，未观察到Sr和Er元素。图5为E43合金的TEM图及其相应元素的分布。

图3 不同Sr、Er含量铸态合金SEM形貌

图4 E45合金的SEM形貌及EDS元素面扫描

图5 E43合金的TEM图及其相应元素的分布

图6为不同合金的应力-应变曲线，表2为合金的力学性能。可以看出，E43合金的综合力学性能更佳，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为287.7 MPa、248.6 MPa和3.8%。与有关研究中开发的铸态Al-Si合金性能相比（ADC12-Sr-Sc、ADC12-Y、A380-La-Y、A380-Ce 和Al-11Si-Bi-Sr，E43合金的抗拉强度和伸长率更高。

图7为不同合金的拉伸断口形貌。在E00合金中可观察到一些撕裂棱和多个解理面，其断裂特征为韧性-脆性混合模式。加入Sr后解理面尺寸减小，见图7b。当添加Sr和Er变质时，解理面的尺寸进一步减小，撕裂棱的数量增加，见图7c。随着Er含量的进一步增加，在E43和E45合金中明显形成了不均匀的韧窝，同时撕裂棱进一步增加，见图7d和图7e。韧窝是韧性断裂机制的特征，表明添加Sr和Er变质提高了合金的塑性，这与表2中伸长率的结果一致。断裂机制的变化以及合金伸长率的增加与共晶Si形貌的变化直接相关。共晶Si形貌从针状转变为纤维状，减少了应力集中，有助于提高合金的塑性。

图6 不同合金的应力-应变曲线

表2 不同合金的力学性能

图7 不同Sr和Er含量变质合金铸态断口形貌

为进一步研究共晶Si的变质机制，观察了E43合金中纳米级共晶Si颗粒的微观结构，见图8。可以看出，多个高密度共晶Si孪晶存在于内部共晶Si中，孪晶在不同方向上分支，如70.5°和39°。根据过往研究，Si原子在共晶Si生长过程中倾向于通过共价键形成Si四面体。高密度共晶Si孪晶的形成主要是Si四面体的附着，而不是单个Si原子的堆叠，这说明共晶Si更可能在70.5°方向上形成孪晶分支。此外，研究还提出了共晶Si孪晶的生长机制，指出70.5°和39°是共晶Si孪晶生长的可能分支方向，这与文献的研究一致。

共晶Si变质主要有孪晶凹角机制（TPRE）和杂质诱导孪晶机制（IIT）图9为在Sr和Er变质合金中共晶Si孪晶的生长机制。

图8 E43合金中共晶Si及其孪晶近似生长方向的TEM明场相

图9 共晶Si孪晶分支生长机制

析出相对位错运动的钉扎作用，阻碍位错的滑移，形成位错环，提高合金强度。图10为E43合金在拉伸变形后的位错形貌。可以清晰地观察到大量分布密集的位错环，同时，在位错环的内部以及周围伴随着尺寸较小且分布均匀的Al₃Er。这些析出相作为强有效的钉扎点，与位错的相互作用导致了位错的积聚和弯曲，从而诱导形成了位错环。

图11为Al3Er颗粒对经过Sr和Er变质合金中位错的阻碍效果的示意图。在拉伸过程中，当位错接触到Al3Er颗粒时，位错受到阻挡而弯曲。为了绕过Al3Er颗粒，位错线逐渐在Al3Er颗粒周围形成一个位错环。在外力的持续作用下，部分位错线被拉伸并远离Al3Er颗粒。随着塑性变形的增加，越来越多的位错聚集在Al3Er颗粒周围，位错线互相缠绕在一起，增大了位错运动的阻力。Al3Er颗粒强烈阻碍位错运动，使位错线弯曲并形成位错环，进一步阻碍位错的运动，对合金的强度提高有积极作用。

图10 E43合金拉伸后位错TEM形貌

图11 Sr和Er变质合金中Al3Er颗粒阻碍位错运动示意图

结论

（1）添加Sr和Er变质剂显著提高了铸态Al-9Si-3Cu合金的力学性能。当添加0.04%的Sr和0.03%的Er时，合金力学性能最佳，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为287.7 MPa、248.6 MPa和3.8%。

（2）TEM分析结果表明，Sr和Er原子在共晶Si表面的共吸附促进了晶体在70.5°和39°晶向的晶生长，显著减小了共晶Si的尺寸至500~800 nm。

（3）通过添加微量Sr和Er变质，共晶Si显著球化和细化，并且合金中形成了细小的Al3Er颗粒，通过阻碍位错运动，这对合金强度的提高有积极作用。

《微量Sr和Er对铸造Al-Si-Cu合金组织和性能的影响》

周鹏飞 顾琪

盐城工业职业技术学院智能制造学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》