超聲振動工藝下微量Sc對A380合金組織性能的影響

雷吉平，余劍武，李承波，陳健美，范光輝，李子夫

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超聲振動工藝下微量Sc對A380合金組織性能的影響

雷吉平1, 2，余劍武1，李承波3，陳健美2，范光輝1，李子夫3

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙，410082；2. 湖南涉外經濟學院機械工程學院，湖南長沙，410205；3. 中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙，410083)

在超聲振動工藝下加入質量分數為0~0.5%的稀土Sc對A380合金進行變質處理，以研究稀土Sc對A380合金微觀組織和力學性能的影響。研究結果表明：在超聲振動工藝下，加入微量Sc可以使A380合金微觀組織中的初生α相顯著細化，由粗大的樹枝晶變為細小、無定向的枝晶，并且形態變得圓整，出現大量薔薇狀和顆粒狀的α相；當Sc加入量為0.3%時，對α相的細化效果最理想；同時，超聲振動工藝下微量Sc還使A380合金微觀組織中的共晶Si和Al3FeSi2相尺寸顯著減小，由粗大的針狀變為蠕蟲狀和點狀；加入0.3% Sc的A380合金，其鑄態下抗拉強度為314 MPa，屈服強度為223 MPa，伸長率為3.7%，勃氏硬度為109，此時，晶粒粒度最小，約為31 μm，形狀因子最大，為0.75。

Sc；超聲波振動；微觀組織

Al?Si合金具有比強度高、耐腐蝕性能好和熱膨脹系低等特性，廣泛應用于汽車、摩托車、航天航空等領域。同時，這類合金因含有質量分數較高的Si而具有良好的鑄造性能(即流動性好)，而晶粒細化和變質作用能很好地將改善鋁合金的微觀組織結構，提高合金的力學性能[1?2]。研究表明，在鋁合金中添加少量的稀土元素和高強超聲振動不僅能達到較好的細化和變質效果，而且具有凈化熔體和除氣的作用[3]。由于Sc既是3d型過渡族金屬，又是稀土金屬，所以，其化學性質與稀土族金屬的相同，物理性質和力學性能與過渡族元素的相近，在鋁合金中既能發揮稀土金屬凈化合金、改善鑄錠組織的作用，又能起到過渡金屬的抑制再結晶作用，減小鑄造缺陷。研究發現，在鋁合金中添加微量Sc不僅可以顯著地提高合金的力學性能，而且能夠改善合金的耐熱性[4?9]。肖代紅等[10]在對A7085 鋁合金中添加0.3% Sc(質量分數，下同)，有助于細化鑄態合金的晶粒，其晶粒粒度為30~40 μm；其強化機制主要是Al3(Sc, Zr)相引起的細晶強化、亞結構強化和沉淀強化。張海鋒等[11?12]發現添加微量Sc能使2099 鋁鋰合金抑制再結晶的發生，使合金鑄態、均勻化態及固溶態的晶粒粒度明顯減小。黃吉 等[13]通過加入0.10%~0.30% 稀土Sc對A356合金中進行變質處理，發現當Sc加入量為0.20%時，對α相的細化效果最理想；同時，Sc還使A356合金微觀組織中的共晶Si粒度顯著減小，由粗大的針狀變為蠕蟲狀和點狀。在鋁合金中添加微量Sc或復合添加Sc和Zr能全面改善合金的組織和性能。另外，超聲振動輔助鑄造工藝是一種綠色無污染的先進鑄造技術。近年來，國內外許多學者對超聲施振于鋁合金熔體后其凝固行為及微觀組織的影響進行了研究，如：陳家軻[14]對鋁鎂合金凝固過程進行超聲處理，發現超聲振動能極大程度地細化合金晶粒，同時提高了Mg在晶內的固溶度；王樂酉等[15]在7055 鋁合金凝固過程中導入超聲振動能獲得細小均勻的非枝晶組織，且鑄錠顯示較好的室溫壓縮性能；LI等[16]發現當超聲施振時間為100 s時細化晶粒效果最佳。因此，研究微量Sc與超聲振動對鑄造鋁合金凝固組織與力學性能的影響，不僅能夠為該系變形合金的鑄坯優化提供借鑒，而且可以為探索開發新鑄造鋁合金提供參考。但目前人們對超聲振動工藝下添加微量Sc對鑄造A380鋁合金變質處理的影響研究較少。為此，本文作者以鑄造A380鋁合金為研究對象，在金屬型鑄造條件下，研究超聲振動工藝下添加不同質量分數Sc對A380鋁合金微觀結構特性和力學性能的影響，并探討其變化機理。

1 實驗材料及方法

實驗材料為A380鋁合金，其成分為Al?9.25%Si? 3.12% Cu?0.58% Fe，采用工業純鋁Al(99.88%，質量分數，下同)、硅Si(99.98%)、銅Cu(99.98%)及Al?8Fe和Al?3Sc中間合金熔煉配制而成，合金中添加微量Sc(質量分數分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%)。熔煉設備為100 kg熔鋁爐，在750 ℃進行熔煉，對熔體合金進行排氣、精煉、扒渣，降溫到720 ℃靜置20 min，冷卻到640 ℃。施加超聲波攪拌100 s后，超聲波電源系統采用最大功率為1 kW、頻率為33~36 kHz數顯自動調頻超聲波發生器(型號為USC?351C)；超聲振動系統包括PZT壓電陶瓷換能器、變幅桿和工具。將熔體澆注入已預熱到500 ℃的標準試樣鋼模中，鑄造試樣直徑為15 mm×180 mm，在室溫冷卻后取出試樣。將試樣加工成直徑為10 mm的標準拉伸試樣，在DW?100電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸，拉伸速率為0.5 mm/min，測試合金的抗拉強度和伸長率。采用HVS?1000數顯顯微勃氏硬度計檢測勃氏硬度。試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在LeicaDwIL LED金相顯微鏡下進行組織觀察；在Bruker D8X線衍射儀對材料進行X線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的相組成；用EVO MAI10ZEISS型掃描電鏡檢測材料相的成分、拉伸試樣斷口形貌，并對試樣電解拋光后采用電子背散射衍射即EBSD進行分析。

2 實驗結果

2.1 力學性能

2.1.1 勃氏硬度

圖1所示為超聲振動工藝下微量Sc質量分數對A380鋁合金勃氏硬度的影響。從圖1可以看出：在超聲振動作用下，隨著微量Sc質量分數增大，勃氏硬度先增大后降低，在Sc質量分數為0.3%時勃氏硬度最大；未添加Sc和超聲振動的合金的初始勃氏硬度為88，添加0.3% Sc和超聲振動的合金，其初始勃氏硬度增加至109，勃氏硬度提高23.9%；添加0.4% Sc和超聲振動的合金，其勃氏硬度開始下降。

2.1.2 拉伸性能

圖2所示為超聲振動工藝下微量Sc質量分數對A380鋁合金拉伸性能的影響。從圖2可以看出：在超聲振動作用下，隨著微量Sc質量分數增大，強度先提高后下降，在Sc質量分數為0.3%時強度最大；伸長率也是呈先升后降的變化趨勢，但在Sc質量分數為0.2%時伸長率最大。與未添加Sc和超聲振動的合金相比，在超聲振動工藝下，添加微量Sc的合金抗拉強度和伸長率都提高。在超聲振動工藝下，添加0.3% Sc時，抗拉強度、屈服強度和伸長率最理想，與未添加Sc和超聲振動的相比，分別從227 MPa，154 MPa和2.23%提高到314 MPa，223 MPa和3.7%，分別提高38.3%，44.8%和65.9%。

圖1 超聲振動工藝下微量Sc質量分數對A380鋁合金勃氏硬度的影響

1—抗拉強度；2—屈服強度；3—伸長率。

2.2 顯微組織分析

圖3所示為超聲振動工藝下不同質量分數的微量Sc作用的A380鋁合金微觀組織。從圖3可見：合金中未添加微量Sc并在超聲振動時(見圖3(a))，其晶粒粗大，可以看到粗大發達的初生α相樹枝晶組織，二次枝晶直徑和長度都較大，為薔薇狀或團塊狀晶粒；晶粒粒度不均勻，晶間分布著近連續的第二相和少量晶內第二相，晶界處存在較多的非平衡共晶組織；在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，初生α相的形態和尺寸發生了明顯改變，一次晶的數量增多，二次枝晶間距開始減小，還出現了較多薔薇狀α相和部分形狀圓整的球狀α相，且由于在超聲振動工藝下添加微量Sc，晶粒逐漸細化，分布趨于均勻，黏結現象明顯減小；當Sc的質量分數0.2% 時(見圖3(c))，晶粒趨于圓潤，明顯細化且分布均勻，但晶界較寬；當Sc質量分數為0.3% 時(見圖3(d))，晶粒圓潤而且細小均勻，晶粒球化充分，晶間還是存在明顯的第二相和晶內第二相，晶粒粒度最小，為理想的鑄態組織；當Sc質量分數大于0.4%時，晶粒兩極分化現象，晶界寬大且出現明顯第二相，相鄰晶粒間出現搭接、長大、團聚現象，晶粒邊界尖銳，晶粒粒度不一且尖銳的晶界會引起應力集中，不利于強度的提高，晶粒尺寸逐漸增大。為了能夠定量比較含不同質量分數Sc的A380合金初生α相粒度，采用Image-pro plus6. 0 軟件對微觀組織中晶粒的粒度和形狀因子進行計算分析。初生α相平均晶粒粒度和形狀因子計算式分別為：

=2(/π)1/2(1)

=4π/2(2)

式中：為平均晶粒粒度；為形狀因子；為晶粒面積；為晶粒周長[16]。平均晶粒粒度越小，形狀因子越接近１，表明晶粒越圓整。對含Sc質量分數不同的A380合金微觀組織中初生α相進行分析，其平均粒度和形狀因子見圖4。

由圖4可知：在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，晶粒粒度先減小后增大；當合金中未添加微量Sc和超聲振動時，晶粒粒度最大，約為 86 μm；當Sc 質量分數為0.3% 時，晶粒粒度最小，約為31 μm；當Sc質量分數大于0.3%時，晶粒粒度有所增大，分別增大7 μm和14 μm，晶粒間黏結且有棱角，出現惡化趨勢；在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，初生α晶粒的形狀因子先增大后減小，由0.38增加到0.75然后又減小到0.55，這說明初生α相形狀由樹枝狀變得越來越圓整。

圖5所示為含Sc和不含Sc的A380鋁合金XRD結果。從圖5可見：合金中添加和不添加Sc與超聲振動的相基本一致，均為Al，Si，CuAl2和Al3FeSi2。圖6所示為A380鋁合金的SEM照片，對應的能譜分析結果如表1所示。未添加微量Sc與超聲振動的合金組織中共晶Si和Al3FeSi2相呈現出粗大的針片狀和針狀，當其受力時，共晶Si相和Al3FeSi2相尖銳棱角處應力集中程度大，畸變能比較高，易在該處產生微裂紋并擴展，合金的強度和塑性較低，此時，組織性能較差。添加微量Sc后，A380合金中Si相與Sc結合成Si-Sc相，Al3FeSi2相與Sc結合成Al3FeSi2-Sc相，增加超聲波攪拌和微量Sc后，共晶Si相和Al3FeSi2相明顯細化，粗針片狀的Si相和Al3FeSi2相變為細、短棒狀，尖銳的棱角變得較圓，而CuAl2相變化不大。在超聲的攪拌作用下，超聲的空化作用和聲流作用將粗針片狀的Si相和Al3FeSi2相打碎，使Sc很快較均勻地擴散到各個相中，加上Sc對Fe和Si元素的吸附力，很快形成新的形核，從而達到細化晶粒的作用。總之，在超聲振動工藝下添加微量Sc，A380合金中α相顆粒粒度較均勻而圓順，Si相和其他中間化合物大部分呈點狀，細針狀和小片狀鑲嵌在α相之間，且分布不均勻；當Sc質量分數為0.3%時形貌最佳，晶界處的化合物分布均勻。

(a) 未添加Sc；(b) 0.1% Sc，超聲振動；(c) 0.2% Sc，超聲振動；(d) 0.3% Sc，超聲振動；(e) 0.4% Sc，超聲振動；(f) 0.5% Sc，超聲振動

1—晶粒粒度；2—形狀系數。

圖5 含Sc和不含Sc的A380鋁合金XRD結果

表1 A380鋁合金的EDS結果(質量分數)

圖7所示為超聲振動工藝及不同微量Sc作用下A380合金的EBSD結果。從圖7可以看出：在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，晶粒粒度變小，存在明顯的晶粒細化變質效果，這與圖3所示結果相吻合。從圖7還可以發現：Sc質量分數越大，合金中大角度晶界的數量越多，在不添加Sc與超聲振動的合金中，晶界的角度主要集中在5°以下，也有少量晶界的角度分布在15°和45°；當Sc質量分數增大至0.3%時，晶界的角度主要集中在5°以下，也有少量晶界的角度分布在35°和50°~60°；當Sc質量分數增大至0.5%時，晶界的角度在5°~60°均勻分布，其中，在30°~60°的分布占大部分。

(a) 不含 Sc；(b) 含0.3% Sc，超聲振動

(a) 不含Sc的EBSD；(b) 含0.3% Sc的EBSD，超聲振動；(c) 含0.5% Sc的EBSD，超聲振動；(d) 不含Sc的晶界角度百分數；(e) 含0.3% Sc的晶界角度百分數，超聲振動；(f) 含0.5% Sc的晶界角度百分數，超聲振動

3 分析與討論

微量Sc對鋁合金合金化作用的主要原因在于生成穩定的Al3Sc 相。Al-Sc 二元狀態圖富鋁角[18]見圖8。由圖8可知：在Sc質量分數為0.60%，溫度為 655 ℃時，會發生共晶反應L→α(Al)+Al3Sc。Sc對鋁合金的晶粒細化作用主要是由于A13Sc與Al具有高匹配性(晶格錯配度＜1%)，在稀土元素中Sc的d電子云最不完整，最滿足晶粒細化劑的要求。在合金凝固過程中形成細小A13Sc質點，其晶體結構(L12型)和點陣常數(面心立方，邊長=0.410 nm)都與Al基體(面心立方，=0.405 nm)相似，符合作為非均質形核核心的尺寸結構條件，即滿足“點陣匹配原理”，能夠較好地潤濕基體晶粒，減小兩者的接觸角，從而使A13Sc相質點與基體晶粒所接觸的結晶面具有較小的表面張力，有利于非均質形核，達到細化晶粒的目的。換句話說，Al3Sc粒子起到“晶種”的作用，它使合金的晶粒粒度減小。Sc對鋁合金性能的改善主要是A13Sc相的作用。根據第一性原理計算結果，Al的sp電子和Sc的3d電子相互作用，使A13Sc具有負的形成焓和很高的結合能。當微量Sc 的質量分數從0逐漸增大時，Sc 固溶在金屬液中，合金熔點下降，固液相線間距增大，形成的Al3Sc質量分數增大，晶核增多，晶粒的細化效果顯著[17?18]。

圖8 Al-Sc 二元狀態圖富鋁角[18]

同時，由于超聲振動的加入，在超聲振動工藝下，微量Sc作用于A380合金熔體，致使某些地方形成局部負壓區，從而引起熔體界面斷裂，形成微小的空泡或氣泡，在聲壓的正壓到來時，空化氣泡閉合與破裂，完成1個周期的空化過程。而熔體中游移的空化泡在高頻超聲波作用下不斷產生、膨脹、收縮和崩潰破裂，當空泡潰滅時會產生微激波，局部形成很大的壓強，連續不斷地沖擊熔體內的顆粒表面，對液態金屬中的晶團、樹枝狀晶破碎和分散，使每個晶體形成許多新的晶核，在凝固過程中形成有效的形核核心，產生一系列空化效應和聲流效應，從而細化了凝固組織。結果表明：在超聲振動作用下，A380鋁合金的綜合性能隨著微量Sc質量分數增大而提高，這可能歸因于在A380合金中添加微量Sc和超聲振動的空化效應使含鐵相和Si相的形態和分布發生變化；隨著初生α-Al的結晶，剩余液相中Sc富集，隨后生成共晶Si，Sc吸附在共晶Si的生長孿晶槽中，限制了孿晶的擇優生長，從而改變了共晶Si的形貌；隨著微量Sc與超聲振動空化效應的變質影響，A380合金組織中初生α-Al晶粒顯著細化，共晶Si形貌由針片狀變為短棒狀、蠕蟲狀、點狀，其力學性能顯著提高。當Sc質量分數為0.3%~0.4%時，Si和Al3FeSi2相細化較明顯，且分布較均勻，使合金勃氏硬度迅速增大，這歸因于微量Sc和超聲攪拌使讓片狀的共晶硅和針狀Al3FeSi2金屬間化合物相被超聲空化所打碎，同時，Sc與Fe和Si結合形成新的形核，在合金中更活躍而改性和精煉。當Sc質量分數大于0.4%時，由于超聲攪拌的聲流熱效應，瞬時過熱的熔體將熔合枝晶根部縮頸部位，使Si和Al3FeSi2相均有所變大，其形態從針狀或盤狀變為長針狀或多邊形板形狀，且分布不均勻，導致晶間結合力下降，從而合金的力學性能下降[19]。

4 結論

1) 在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，A380鋁合金中晶粒粒度先減小后增大，初生α-Al晶粒的形狀因子先增大后減小；當Sc 質量分數為0.3%時，其晶粒粒度最小，約為31 μm，形狀因子最大，為0.75；當Sc的質量分數繼續增大時，晶粒粒度有所增大，形狀因子有所減小。

2) 在超聲振動工藝下，隨著微量Sc質量分數增大，A380鋁合金的強度和勃氏硬度均先增大后降低，當Sc 質量分數為0.3%時，A380鋁合金性能最佳，抗拉強度、屈服強度、伸長率、勃氏硬度分別為314 MPa，223 MPa，3.7%和109 BHN，較未添加Sc的合金分別提高38.3%，44.8%，65.9%和23.9%。

3) 在超聲振動工藝下，加入微量Sc可以使A380合金中的初生α-Al相細化，二次枝晶間距顯著減小，形狀由粗大的樹枝晶狀變為細小分散的等軸晶狀和薔薇狀、顆粒狀。當Sc質量分數為0.3%時，對A380合金的初生α-Ａl相細化效果最理想，共晶Si和Al3FeSi2相由粗大的針片狀變為纖維狀、蠕蟲狀、點狀。

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(編輯 陳燦華)

Effect of minor Sc under ultrasonic vibration technology on microstructures and mechanical properties of A380 alloy

LEI Jiping1, 2, YU Jianwu1, LI Chengbo3, CHEN Jianmei2, FAN Guanghui1, LI Zifu3

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;2. School of Mechanical Engineering, Hunan International Economics University, Changsha 410205, China;3. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Effects of 0?0.5% Sc under ultrasonic vibration technology (UVT) modification on microstructure and mechanical properties of A380 alloy were investigated. The results show that the primary α phase in A380 alloy can be refined significantly, which makes coarse dendrite into fine non-directional dendrites, and a number of α phase in form of rosette and granular can be observed. The desirable refinement of α phase in A380 alloy is obtained with 0.3% Sc. Meanwhile, the sizes of eutectic silicon and Al3FeSi2phase in the alloy decrease significantly by adding minor Sc under UVT, and the shapes of the eutectic silicon and Al3FeSi2phase change from coarse acicular to vermicular and spot ones. The as-cast A380 with 0.3% Sc has tensile strength of 314 MPa, yielding strength of 223 MPa, elongation of 3.7% and hardness of 109. The grain size is the smallest (31 μm), and shape factor is the largest (0.75).

scandium; ultrasonic vibration; microstructures

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.015

TG146.2

A

1672?7207(2017)10?2665?07

2017?01?10；

修回日期：2017?03?22

國家自然科學基金資助項目(51275165)；湖南省“十二五”重點建設學科資助項目(080204)(Project(51275165) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(080204) supported by Key Construction Projects of Hunan Province During 12th Five-Year)

余劍武，教授，博士生導師，從事機械制造、精密加工及特種加工等研究；E-mail：yokenbu@yahoo.com