Y元素對(duì)ZL114A合金微觀氣孔的影響

高文理 毛郭靈 劉東洋 袁航 高艷麗

摘? ?要：ZL114A合金是由北京航空材料院自主研發(fā)的鑄造亞共晶Al-Si合金，合金鑄錠的孔隙率、微觀氣孔的分布位置及形貌對(duì)合金的力學(xué)性能有很大的影響. 利用密度測(cè)量?jī)x，SEM結(jié)合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、微觀氣孔的分布及形貌的影響. 結(jié)果表明，由于Y元素的原子序數(shù)較大，ZL114A合金的理論密度和實(shí)際密度都有少量增加;同時(shí)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;雖然Y元素對(duì)合金鑄錠的孔隙率、微觀氣孔的分布位置以及形貌都有影響，但不是通過(guò)直接與合金熔體中的氣體作用來(lái)發(fā)揮作用的.

關(guān)鍵詞：ZL114A合金;Y元素;密度;微觀氣孔

中圖分類號(hào)：TG146.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effects of Y Element on Micro-pores of ZL114A Alloy

GAO Wenli1?，MAO Guoling1，LIU Dongyang1，YUAN Hang1，GAO Yanli2

（1. College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Abstract：ZL114A alloy is a casting hypoeutectic Al-Si alloy independently developed by Beijing Institute of Aeronautical Materials. The porosity， distribution and morphology of micro-pores have a great influence on the mechanical properties of the alloy. Using density measuring instrument， SEM with EDX， the effects of Y element on the porosity， distribution and morphology of micro-pores of ZL114A ingot were studied in sand casting conditions. The results showed that with the addition of Y，because the Y atomic number is larger，the theoretical density and actual density of ZL114A alloy increased slightly. At the same time，the porosity of the alloy? decreased， and the distribution of micro-pores changed from being distributed throughout the alloy matrix to being more distributed in the eutectic region， and the morphology changed from coexistence of particles and networks to network-based ones. Although the Y element had an effect on the porosity， distribution and morphology of micro-pores， the Y element did not? play a role by directly interacting with gases in the alloy melt.

Key words：ZL114A alloy;Y element;density;micro-pores

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.

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].

fp = （1 - ）? ? ? ?（1）

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.

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.

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