1　概述

　　為了提高航空機(jī)載電子設(shè)備的性能并降低制造成本，機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件正向整體化、輕量化方向發(fā)展。這一客觀要求推動了近無余量鋁合金精密鑄造技術(shù)的進(jìn)步。以輕巧美觀的整體精密鑄件取代用釬焊、聯(lián)接件拼裝組合的結(jié)構(gòu)件。正在逐漸形成發(fā)展趨勢。材料是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵之一。用于機(jī)載設(shè)備的鋁合金應(yīng)具有很好的綜合機(jī)械性能，組織氣密性和鑄造工藝性。本文將主要介紹Al7Si0.3MgTiSb的合金化原理以及對該合金進(jìn)行晶粒細(xì)化，變質(zhì)處理，大幅度提高合金性能的最新研究結(jié)果。

2　合金化原理

　　Al7Si0.3MgTiSb合金由在Al-Si二元合金中添加Mg發(fā)展而來。其三元合金相圖如圖1所示。根據(jù)相圖可以看出，該合金在平衡凝固后處于（Al）+Si的兩相區(qū)內(nèi)。但由于不平衡凝固的結(jié)果，其相組成將是（Al）+Si+Mg2Si。圖2為圖1中Al-Mg2Si的垂直截面?？梢钥闯觯琈g2Si在固溶體中的溶解度隨溫度上升而急劇增加，所以是可以通過固溶熱處理而強(qiáng)化的合金。Mg2Si是一種晶格復(fù)雜，具有立方結(jié)構(gòu)，空間群為Fm3m的化合物。當(dāng)固溶淬火時(shí)，Mg2Si先溶入基體中。而后在時(shí)效過程中，從基體中形成細(xì)小彌散分布的GP區(qū)并進(jìn)而發(fā)展為過渡相，從而使合金得到強(qiáng)化。

圖1　Al-Si-Mg三元合金相圖富鋁角

圖2　Al-Mg2Si相圖

　　Al-Si-Mg2Si三元共晶面的平衡溫度為555℃，而非平衡共晶溫度要低于此溫度，所以最高固溶溫度只能取為535℃左右。此時(shí)，Mg在基體中的平衡溶解度為0.6%。而在實(shí)際條件下，要低于此值。如Mg量太高，則不能固溶的殘余粗大的Mg2Si相將分布在晶界，急劇降低合金的延伸率。故合金中的Mg量確定為0.3%左右。Ti、B、Zr、V、Nb、Cr等元素都有細(xì)化晶粒的效果，但以Ti的效果較佳。圖3為Al-Ti合金相圖。由圖可見，在合金中加入少量Ti,即會發(fā)生包晶反應(yīng)，在液體內(nèi)產(chǎn)生大量細(xì)小、彌散的TiAl3質(zhì)點(diǎn)。TiAl3與Al都是立方晶系，晶格類型相同，晶格常數(shù)相近。所以，TiAl3能作為結(jié)晶核心，（Al）將依附在TiAl3上形核。

圖3　Al-Ti合金相圖

　　Fe是合金中的有害雜質(zhì)。Fe在合金中以脆性化合物Al9Fe2Si2的形式存在，其形態(tài)為粗大片狀或針狀。在合金中起割裂基體的作用，嚴(yán)重惡化合金的力學(xué)性能，特別是延伸率。同時(shí)，還降低合金的抗腐蝕性。所以，應(yīng)對含鐵量嚴(yán)格控制，一般應(yīng)限制在0.18%以下。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)合金采用高純Al,高純Mg和結(jié)晶Si配制。晶粒細(xì)化采用Al-5%Ti-B合金，共晶Si的細(xì)化（變質(zhì)）采用Al-5%Sb中間合金。合金在電阻爐中進(jìn)行熔煉。先配制成預(yù)制錠，澆注成小錠塊,然后快速重熔，采用熔劑-浮游聯(lián)合精煉工藝進(jìn)行除雜除氣,靜置10min后澆注試樣。
　　圖4為合金中Ti含量與晶粒尺寸的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)Ti含量大于0.15%時(shí)，晶粒已得到顯著的細(xì)化。大約在0.15%～0.3%達(dá)到最小值。但Ti的加入量不能過多，以免產(chǎn)生TiAl3偏析，失去非均質(zhì)形核的作用。

圖4　Ti含量與合金晶粒度的關(guān)系

　　有研究表明，晶粒細(xì)化具有時(shí)間效應(yīng)。由于TiAl3的比重較大，長時(shí)間的保溫將促使TiAl3化合物的集聚和長大，在坩鍋的下部產(chǎn)生大塊片狀TiAl3,引起晶粒的再粗化。因此，熔煉后應(yīng)盡快澆鑄完畢。合金的純凈度和均勻度對性能的穩(wěn)定性都有影響。采用聯(lián)合精煉法通常比單一的精煉方法有更小的性能均方差。采用低壓澆注時(shí)，由于升液管內(nèi)金屬液周期性回流會對坩鍋中的合金液產(chǎn)生攪拌作用，有助于減少TiAl3的偏析；在重力澆注時(shí)，則應(yīng)適時(shí)地進(jìn)行人工攪拌。
　　合金的力學(xué)性能不僅僅取決于晶粒的細(xì)化程度，而且也與共晶組織中Si的尺寸和形態(tài)有關(guān)。金屬Sb是一種共晶Si的細(xì)化劑。在金屬型鑄造或快冷條件下，在合金中加入微量的Sb,就能使共晶Si得到顯著的細(xì)化，并提高力學(xué)性能。特別是在熱處理（T5或T6）后，其塑性指標(biāo)得到成倍增長。由圖5和圖6可看出，Sb的加入量不能過多，否則將使性能降低。Sb在Al中的固溶度極小，在657℃產(chǎn)生共晶反應(yīng)（L→Al+AlSb）。當(dāng)Al中加入Sb后，即形成AlSb化合物。故有人認(rèn)為，AlSb和Si均屬立方晶系，且晶格常數(shù)非常接近。所以，AlSb可以作為Si的結(jié)晶核心。也有人認(rèn)為，是由于Al-AlSb的共晶溫度比Al-Si的共晶溫度要高，凝固時(shí)Al-AlSb先共晶析出，產(chǎn)生大量細(xì)小的共晶團(tuán)作為Al-Si共晶的結(jié)晶核心而使共晶組織得到細(xì)化。從結(jié)晶學(xué)的角度來看，加入Sb與加入Na、Sr等變質(zhì)元素不同。Sb并不改變共晶Si的結(jié)晶形態(tài)。所以，嚴(yán)格地說，Sb只是細(xì)化劑而不是變質(zhì)劑。

圖5　Sb對抗拉強(qiáng)度的影響（T5狀態(tài)）

圖6　Sb對合金延伸率的影響（T5狀態(tài))

4　合金的應(yīng)用

　　從應(yīng)用的角度來看，除了合金的性能應(yīng)滿足一定的使用要求外，合金的流動性、吸氣和疏松傾向等鑄造工藝性能就是人們最關(guān)心的問題。研究表明，該合金的充型流動性，抗吸氣氧化性及氣密性均優(yōu)于Na、Sr等變質(zhì)元素，但存在冷卻速度效應(yīng)。因此，在工藝上應(yīng)注意以下問題：
　　①航空機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)鑄件以薄壁、精密為特征，需用近無余量鑄造，如壓力鑄造、調(diào)壓精鑄或金屬型鑄造方法。鑄件冷卻速度較大，可以得到較好的細(xì)化效果。對厚大熱節(jié)處應(yīng)采取激冷措施。
　　②在凝固特性方面，該合金趨向于集中疏松。因此，只要在進(jìn)行鑄件充、補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)，保證鑄件的順序凝固并給予充分的補(bǔ)縮，就可以獲得組織致密、氣密性高的鑄件。
　?、塾捎赟b在合金中很少氧化和燒損，所以其細(xì)化作用具有長效性。合金可以多次重熔，在配料計(jì)算時(shí)。必須考慮回爐料中已有的含Sb量，然后給予適量補(bǔ)充。
　　④該合金可采用鑄造直接淬火工藝。當(dāng)鑄件溫度冷卻至低于合金的固相線時(shí)，直接將其淬入冷卻介質(zhì)中，可得到很好的固溶處理效果。對于尺寸穩(wěn)定性要求高的零件，在固溶處理后，還可進(jìn)行低溫循環(huán)處理。
　　綜上所述，Al7Si0.3MgTiSb合金是一種綜合性能優(yōu)良的熱處理型鑄造鋁合金。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可在大范圍?nèi)調(diào)整機(jī)械性能，特別是具有高的延伸率。該合金尤其適合于制造機(jī)載設(shè)備的箱體、儀器儀表外殼、結(jié)構(gòu)支架、電路插件基板和微波器件等等。【MechNet】