高文理，毛郭靈，劉東洋，袁航，高艷麗

（1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.北京航空材料研究院，北京 100095）

ZL114A 合金具有優(yōu)異的鑄造性能，較低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐腐蝕性、耐磨性以及綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)，尤其適合大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃油殼體[1－3].ZL114A 合金由初生α－Al 和共晶組織組成，共晶組織包括共晶Al 和共晶Si，硬度很高的Si 相對(duì)鋁基體起到了很好的強(qiáng)化作用.在未變質(zhì)的合金中，共晶Si 相呈粗大的板片狀，塑性變形的過(guò)程中，板片狀的Si 尖角處很容易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致基體開(kāi)裂，合金斷裂.變質(zhì)共晶Si，將共晶Si 由粗大的板片狀變質(zhì)為細(xì)小的纖維狀、珊瑚狀等，是提高合金力學(xué)性能的一個(gè)十分重要的方法[4－9].變質(zhì)共晶硅的方法有物理變質(zhì)和化學(xué)變質(zhì)等.物理變質(zhì)方法如電磁攪拌、振動(dòng)等等；化學(xué)變質(zhì)是指加入某些化學(xué)元素，改變共晶Si 的形核生長(zhǎng)方式，從而改變共晶Si 的形貌，如Sb 元素[10－11]、Na 元素[12－13]等，化學(xué)變質(zhì)操作簡(jiǎn)單便捷，是最常用的變質(zhì)方法，變質(zhì)劑元素的種類及變質(zhì)機(jī)理得到了廣泛的研究.

Y 元素也是一種很有效的變質(zhì)劑[14－16].研究表明Y 元素通過(guò)促進(jìn)共晶Si 孿晶的產(chǎn)生來(lái)變質(zhì)共晶Si[14]；Kang 等[15]則認(rèn)為Y 元素之所以能變質(zhì)共晶Si是因?yàn)樗cSi 元素有很大的負(fù)混合焓.De－Giovanni等[16]利用三維原子探針發(fā)現(xiàn)Y 元素很容易偏聚在Si相中，使得共晶Si 的形貌發(fā)生改變，從而變質(zhì)共晶Si.本課題組之前也研究了Y 元素對(duì)ZL114A 合金共晶Si 變質(zhì)作用和變質(zhì)機(jī)理[17－18].目前，關(guān)于Y 對(duì)共晶Si 變質(zhì)作用及變質(zhì)機(jī)理的研究很多.除了共晶Si，鑄件的微觀孔隙率也是影響鑄件力學(xué)性能的一個(gè)很重要的因素，在鑄件服役的過(guò)程中，微觀氣孔會(huì)成為裂紋源和裂紋擴(kuò)展路徑，加速裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致鑄件失效.為了更加全面理解Y 元素在ZL114A 合金中的作用，為Y 元素的工業(yè)化提供更加豐富全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加快Y 元素工業(yè)化腳步，本文研究了砂型鑄造條件下Y 元素對(duì)ZL114A 合金微觀氣孔的影響，期望本文可以為ZL114A 合金的改性與升級(jí)提供部分可參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每次實(shí)驗(yàn)采用50 kg 原料；同時(shí)為了保證制作樣品鑄錠熔體的質(zhì)量，廢棄掉坩堝底部10 kg 左右的堝底料，只用扒渣之后坩堝中上部的合金液制 取樣品.將Al－12%Si、Al－1.89%Y（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，中間合金）、Al－Ti－B（晶粒細(xì)化劑）裝入電阻爐熔化，待熔化完全攪拌10～15 min，使熔體均勻；降溫到690～700 ℃加Mg，攪拌5 min；710～715 ℃在900 Pa 的壓強(qiáng)下真空除氣20 min；之后在715～720 ℃使用C2Cl6和TiO2的混合物進(jìn)行精煉；精煉結(jié)束之后，為防止Ti－B 沉淀，輕輕攪拌5 min；扒渣，澆注到樹(shù)脂砂型模具中.

根據(jù)HB 6731.10—2005 標(biāo)準(zhǔn)利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定合金的實(shí)際成分，結(jié)果如表1 所示.利用FEI QuANTA 200 環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）拍取足夠多的照片，用來(lái)評(píng)價(jià)微觀氣孔的位置和形貌，采用金相標(biāo)準(zhǔn)制樣的方法制取SEM樣品，同時(shí)利用環(huán)境掃描電子顯微鏡上配備的能譜裝置（EDX），分析氣孔及氣孔附近的元素種類.利用KQ－500DE 超聲波清洗器將樣品洗凈，避免樣品表面臟物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將樣品吹干后，利用MH－300A 密度測(cè)量?jī)x測(cè)量樣品的實(shí)際密度，在每一個(gè)成分合金鑄錠的相同位置選取3 個(gè)樣品，每一個(gè)樣品測(cè)量密度兩次，每一個(gè)成分得到6 個(gè)理論密度的值之后求取平均值作為該成分合金的實(shí)際密度.

表1 合金實(shí)際成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of experimental alloys（mass fraction） %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1（a）為合金1#和2#的理論密度和實(shí)際密度，圖1（b）為合金1#和2#的孔隙率.合金的孔隙率fp由公式（1）計(jì)算得到[19].

式中：ρ 為合金的實(shí)際密度；ρ0為合金的理論密度.從圖1（a）可以看出，隨著Y 元素的加入，合金的理論密度和實(shí)際密度都會(huì)有少量的增加.從圖1（b）可以看出，未加Y 元素的ZL114A 合金的孔隙率為1.23%，加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%的Y 元素的ZL114A 合金孔隙率為0.93%，隨著Y 的加入，ZL114A 的孔隙率降低.由圖1 可知，隨著Y 元素的加入，ZL114A 合金的理論密度和實(shí)際密度都增大，但合金的孔隙率降低.

圖1 合金1#和2#的密度和孔隙率Fig.1 Density and porosity of alloy 1#and 2#

圖2 為合金1#微觀氣孔的分布與形貌圖.箭頭表示的是共晶硅相，圓圈表示共晶硅相附近的氣孔，方框表示在初生α-Al 中的氣孔.根據(jù)亞共晶Al-Si合金的平衡相圖，合金凝固之后由初生α-Al 區(qū)域和共晶區(qū)域組成，在共晶硅相附近的氣孔表示該氣孔位于共晶區(qū)域，遠(yuǎn)離共晶硅相的氣孔表示該氣孔位于初生α-Al 區(qū)域.從圖2 可以看出，合金1#的微觀氣孔部分分布在初生α-Al 中，部分分布在共晶組織中，即分布于整個(gè)合金基體中，如圖中的圓圈和方框所示；有些氣孔很小，呈現(xiàn)顆粒狀，有些氣孔較大，連接成片，呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀.圖3 為合金2#微觀氣孔的分布與形貌圖，箭頭表示的是共晶硅相，圓圈表示共晶硅相附近的氣孔.從圖3 可以看出，在ZL114A 合金中添加Y 元素之后，氣孔絕大多數(shù)分布在共晶硅相附近，即分布在共晶區(qū)域，在初生α-Al 區(qū)域很少有氣孔；呈現(xiàn)顆粒狀的小氣孔很少，大多數(shù)氣孔都是較大，連接成片，呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀.由圖2 和圖3 可知，Y 元素改變了ZL114A 合金鑄錠微觀氣孔的分布位置，氣孔由分布于整個(gè)合金基體中變?yōu)槎喾植加诠簿^(qū)域；Y 元素改變了微觀氣孔的形貌，氣孔形貌由顆粒狀、網(wǎng)絡(luò)狀共同存在變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)狀存在為主.

圖2 合金1#微觀氣孔的分布與形貌Fig.2 Distribution and morphology of micro pores in alloy 1#

圖3 合金2#微觀氣孔的分布與形貌Fig.3 Distribution and morphology of micro pores in alloy 2#

圖4 為微觀氣孔的能譜圖.從圖4 中可以看出，無(wú)論是微觀氣孔里面還是微觀氣孔附近，都不含有Y 元素.Y 元素的加入，會(huì)有含Y 元素的金屬間化合物出現(xiàn)[17]，微觀氣孔里面和附近都沒(méi)有檢測(cè)到Y(jié) 元素，說(shuō)明金屬液中的氣體極大可能不會(huì)依附在含Y元素的金屬間化合物上，換句話說(shuō)，Y 元素不是通過(guò)直接與合金熔體中的氣體作用的方法來(lái)降低合金鑄錠的孔隙率.

圖4 微觀氣孔處的EDX 能譜Fig.4 EDX spectra of micro pores

3 分析與討論

由表1 可知，ZL114A 合金主要含有Al 元素和Si 元素，還含有少量的Mg 元素和Ti 元素，從元素周期表中得知，Al 元素為13 號(hào)元素，Si 元素為14 號(hào)元素，Mg 元素為12 號(hào)元素，Ti 元素為22 號(hào)元素，而Y元素為39 號(hào)元素，由于Y 元素的原子序數(shù)大，所以Y 元素的加入會(huì)使得ZL114A 合金的理論密度和實(shí)際密度有少量的增加，其結(jié)果如圖1（a）所示.鋁液中的氫以氣泡的形式析出，而自發(fā)形核十分困難[20-21]，鋁液中懸浮的氧化夾雜物表面有大量的孔洞、裂紋，并且形狀不一，氣泡很容易在這些氧化夾雜物上面形核[22]，除此之外懸浮的夾雜物還能吸附氫，制約氫氣的擴(kuò)散，如果減少鋁液中的氧化夾雜物，便能減少含氫量，減少含氣量[23-28]，降低合金鑄錠的孔隙率.Y為稀土元素，與氧元素的親和能力強(qiáng)[29-30]，在鋁熔體中會(huì)奪走氧化夾雜物中的氧元素，形成含有Y 元素的氧化物，減少熔體中的原有氧化夾雜物的數(shù)量，Y的氧化物密度比ZL114A 合金熔體的密度大，在熔煉過(guò)程中會(huì)下沉到熔體底部，從而減少ZL114A 合金熔體中氧化夾雜物的數(shù)量和含氣量，因此ZL114A合金的孔隙率降低，其結(jié)果如圖1（b）所示.在ZL114A 合金凝固的過(guò)程中，隨著溫度的下降，初生α-Al 形核長(zhǎng)大，溫度進(jìn)一步下降，達(dá)到共晶溫度點(diǎn)，在枝晶間液中，共晶反應(yīng)發(fā)生，共晶組織出現(xiàn)，Y 元素的加入使得合金熔體中氧化夾雜物以及含氣量減少，在初生α-Al 形核長(zhǎng)大時(shí)，熔體中的氣體濃度不足以支持微觀氣孔的形核長(zhǎng)大，所以直到共晶反應(yīng)發(fā)生，合金熔體進(jìn)一步減少，熔體中的氣體濃度進(jìn)一步升高，微觀氣孔才會(huì)形核長(zhǎng)大形成，因此，隨著Y元素的加入，氣孔所在的位置分布于整個(gè)合金基體中變?yōu)槎喾植加诠簿^(qū)域；另一方面，氧化夾雜物的減少使得氣孔形核核心減少，氣孔的數(shù)量減少，單個(gè)氣孔的尺寸變大，因此，隨著Y 元素的加入，微觀氣孔形貌由顆粒狀、網(wǎng)絡(luò)狀共同存在變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)狀存在為主，其結(jié)果如圖2 和圖3 所示.

4 結(jié)論

利用密度測(cè)量?jī)x、SEM、EDX，研究了砂型鑄造條件下，Y 元素對(duì)ZL114A 合金鑄錠的孔隙率、微觀氣孔的分布以及形貌的影響，得到結(jié)論如下：

1）由于Y 元素的原子序數(shù)較大，它的加入會(huì)使ZL114A 合金的理論密度和實(shí)際密度都有少量的增加.

2）隨著Y 元素的加入，ZL114A 合金的孔隙率下降，鑄錠微觀氣孔的分布位置由分布于整個(gè)合金基體中變?yōu)槎喾植加诠簿^(qū)域；微觀氣孔的形貌由顆粒狀、網(wǎng)絡(luò)狀共同存在變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)狀存在為主.

3）Y 元素不是通過(guò)直接與合金熔體中的氣體作用的方式來(lái)降低合金鑄錠的孔隙率和改變微觀氣孔的分布與形貌.