稀土钇变质Al-Si合金微观组织演变及其机制研究

【摘要】：Al-Si合金因具有良好的流动性、低密度、低的热膨胀系数和高的比强度,被广泛地应用于航空航天及汽车领域,以减轻自重、提高燃油利用率。然而,传统铸造的Al-Si合金组织中,存在着粗大的α-Al枝晶和粗大不规则的Si相,且在Si相尖端容易形成应力集中,降低Al-Si合金的力学性能。因此,本文以过共晶Al-20Si合金和多组分近共晶Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金为研究对象,研究了稀土Y和Y/Al-5Ti-1B对铸造Al-Si合金中α-Al、初生Si和共晶Si形貌及尺寸的影响,同时研究了热处理工艺对Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金微观组织的影响,明晰了Al-Si合金微观组织演变与拉伸性能之间的关系,并探究了稀土Y对Si相的变质机制,为Al-Si合金的工业化应用提供科学依据和理论指导。稀土Y对过共晶Al-20Si合金中的Si相有着明显的变质效果。当稀土Y的添加量为0.8%时,不规则星状和粗大块状初生Si被细化为细小的规则块状,与未变质的Al-20Si合金相比,其平均尺寸从89μm减小到33μm,减小了62.9%,长宽比由2.07减小为1.27,减小了38.6%;共晶Si由未变质时粗大的板片状或长针状变质为细小的纤维状组织。随着稀土Y对Al-20Si合金的变质,其力学性能也有了明显地提升,当稀土Y的添加量为0.6%时,合金的延伸率从未变质时的1.11%上升到1.36%,上升了22.5%;当稀土Y的添加量为0.8%时,合金的抗拉强度从未变质时的94MPa提高到139MPa,提高了47.9%,且合金的断裂模式由典型的脆性穿晶断裂逐渐地转变为韧脆混合断裂。Y/Al-5Ti-1B对Al-20Si合金中的Si相也有着显著的变质效果。当0.6%的稀土Y和1.0%的Al-5Ti-1B变质剂混合熔体以650℃加入到Al-20Si合金熔体中时,初生Si从未变质时不规则的星状或粗大的块状细化为均匀细小的规则块状,平均尺寸减小到29μm,长宽比减小到1.47;粗大的板片状或长针状共晶Si被变质为多分枝的细小纤维状,平均圆整度从未变质时的7.8减小到2.32,减小了70.3%;合金的抗拉强度提高到154MPa,延伸率增加到1.79%,且合金的断裂模式由脆性断裂逐渐地转变为韧脆混合断裂。稀土Y可以有效地改善铸态Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金的微观组织。当稀土Y的添加量为0.8%时,合金中粗大的α-Al枝晶被细化为均匀的胞状晶或等轴晶,二次枝晶臂间距从12.7μm减小到4.5μm,减小了64.6%;粗大的板片状或长针状共晶Si被变质为多分枝的细小纤维状组织,平均圆整度从未变质时的9.8减小到4.3,减小了56.1%;网状或鱼骨状等复杂形貌的金属间化合物演变为含有稀土Y元素的规则块状富铝相(AlCuNiY),且当稀土Y添加到Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金中时,稀土元素以含Y化合物的形式存在于共晶Si的生长前沿,它既可以改变Si相的生长方向,促使Si相孪晶和{111}112织构的形成,也可以抑制共晶Si的长大,将粗大的板片状共晶Si变质为多分枝的细小纤维状组织。随着稀土Y的变质,铸态Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金在室温和高温下的拉伸性能均得到了显著地提升。当稀土Y含量为0.6%时,铸态合金的延伸率从未变质的1.12%增加到1.48%,增加了32.1%;当稀土Y含量为0.8%时,铸态合金的抗拉强度从未变质的166MPa上升到242MPa,上升了45.8%;但0.8%Y变质的合金表现出最佳的综合性能,其Q值从未变质时的173MPa提高到264MPa,提高了52.6%,且合金的断裂形式从脆性断裂逐渐地转变为韧脆混合断裂。此外,当稀土Y的添加量为0.8%时,铸态Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金在200℃下的抗拉强度从未变质的160MPa增加到214MPa,增加了33.8%;延伸率从1.16%上升到1.63%,上升了40.5%。经T6热处理(530℃固溶10h+180℃时效12h)后的Al-13Si-3Cu-2Ni-0.5Mg合金,共晶Si呈尺寸约为5~8μm的细小颗粒,铸态合金中复杂形貌的金属间化合物演变为汉字状或小片状,均匀地分布在合金基体上。当稀土Y含量为1.0%时,热处理合金的室温抗拉强度从未变质时的238MPa提高到315MPa,提高了32.4%;延伸率从1.14%增加到1.58%,增加了38.6%。