Sc在铸造Al-Si合金中的作用研究进展

张冬冬

(中国航空发动机集团有限公司，北京 100097)

铸造Al-Si合金是铸造铝合金中品种最多、用量最大的一类合金，约占铝铸件产品的85%～90%。铸造Al-Si合金具有优异的铸造工艺性能、较小的收缩率和热膨胀系数、良好的综合力学性能等，被广泛应用于航空航天工业和汽车制造工业，例如战斗机的导弹挂架、燃油壳体、汽车轮毂等[1-3]。

大量研究表明，在铝合金中添加Sc，有利于改善合金组织和提高性能。例如在Al-Cu-Li合金中添加Sc，合金的晶粒细化，强度大大提高，塑性明显改善[4]；在Al-Mg合金中添加Sc，合金晶粒细化，强度大大提高，并表现出良好的强塑性组合[5]。

在铸造Al-Si合金中添加Sc，合金的组织得到了改善，性能得到了提高。但Sc的价格昂贵，应该更加有效地利用Sc，充分发挥Sc在铸造Al-Si合金中的作用，降低成本。本文作者对国内外的相关研究进行了搜索整理和对比分析，希望能为以后研究Sc在铸造Al-Si合金中的作用以及含Sc铸造Al-Si合金的工业化生产和应用提供参考。

1 Sc单独添加对铸造Al-Si合金的作用

表1汇总了有关Sc对铸造Al-Si合金作用的研究结果。

表1 Sc对铸造Al-Si合金的作用研究结果汇总Table 1 Summary of research results on the effect of Sc on Al-Si casting alloys

续表1

Sc在铸造Al-Si合金中的主要作用如下：

1)添加Sc的铸造Al-Si合金流动性增加[14]。

2)Sc对铸造Al-Si合金中的初生Si的尺寸和形貌没有影响[23]；Sc能有效变质铸造Al-Si合金中的共晶Si[6-7]；Sc能形成铸造Al-Si合金中初生α-Al晶粒的异质形核核心，细化初生α-Al晶粒[8-9]；添加Sc，合金中出现纳米Al3Sc颗粒[9, 18]；添加Sc，合金中出现AlSc2Si2金属间化合物相[6, 18]。

3)添加Sc，由于变质共晶Si和细化晶粒，铸造Al-Si合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率增加[6,9]；由于纳米Al3Sc颗粒的存在，铸造Al-Si合金的热稳定性增加[9]；添加Sc，由于纳米Al3Sc颗粒和富Sc的金属间化合物的出现，铸造Al-Si合金的蠕变性能增加[13]。

因此，在以后关于Sc在铸造Al-Si合金中作用的研究中，如下几个方面需要进一步研究：

1)优异铸造工艺性能(包括流动性和抗热裂性)是铸造Al-Si合金能被广泛应用的关键之一，目前还缺少有关Sc对铸造Al-Si合金铸造工艺性能影响的系统研究，进一步探索随着Sc含量的变化对铸造Al-Si合金铸造工艺性能的不同影响，从而揭示Sc的临界含量值。

2)Sc能有效变质共晶Si，但是目前的研究中有关Sc变质共晶Si的机制还没有一致的认识和理解[8,11-22]，需要进一步系统深入的研究。

3) Sc能改善铸造Al-Si合金的组织和提高合金的性能，但目前的研究中有关Sc最佳添加量的研究较少，甚至对于同一种合金，在不同的研究中Sc的最佳添加量也不同[8,18]。其原因可能是在合金铸锭凝固过程中的凝固速率不同，因此需要进一步研究Sc的最佳添加量、合金成分(如Si含量)和凝固速率三者之间的关系，以有利于充分发挥Sc在铸造Al-Si合金中的有益作用。

2 Sc与其他元素联合添加对铸造Al-Si合金的作用

Sc能改善铸造Al-Si合金的组织和提高合金的性能。但Sc的价格昂贵，工业化应用成本较高，因此研究Sc与其他元素联合添加对铸造Al-Si合金组织和性能的作用，以期能用其他元素代替部分Sc，在不降低对铸造Al-Si合金组织和性能改善效果的前提下减少Sc的用量，降低生产成本。表2汇总了有关Sc和其他元素联合添加在铸造Al-Si合金中作用的研究结果。

Sc和其他元素联合添加在铸造Al-Si合金中的作用主要为如下几方面：

1)联合添加Sc和某些元素，能增加Sc在铸造Al-Si合金中的有益化效果，如联合添加Sc和Zr，形成Al3(Sc1-xZrx)为晶粒异质形核核心，晶粒细化效率增加[26-27]，联合添加Sc和Cu，形成θ′-Al2Cu析出相和Al3Sc颗粒，铸造Al-Si合金的拉伸性能增加等[29]。

2)联合添加Sc和某些元素，会减弱Sc在铸造Al-Si合金中的有益化效果，如联合添加Sc和Zr，共晶Si的变质效果逐渐变差[26]。

因此，在以后有关Sc与其他元素联合添加在铸造Al-Si合金中作用的研究中，还有如下几个方面需要注意：

表2 Sc和其他元素联合添加对铸造Al-Si合金中的作用研究结果汇总Table 2 Summary of research results on the effect of Sc combined with other elements in Al-Si casting alloys

1)铸造Al-Si合金的组织包括初生α-Al晶粒、初生Si、共晶Si、析出相、杂质相如含铁相等，在以后研究Sc与其他元素联合添加在铸造Al-Si合金中的作用时，可以根据组织进行分类研究，如Sc与细化初生α-Al晶粒的元素、Sc与变质共晶Si的元素等，提高研究效率，增加研究结果的可参考性。

2)目前不同的研究中还存在一些不同的结果，造成这些不同结果出现的原因还需要进一步探究。比如在有的研究中发现Sc与Zr联合添加，共晶Si变质效果变差[26]，也有研究表明Al3(Sc1-xZrx)金属间化合物能够阻碍共晶Si生长，从而变质共晶Si[27]。

3 结束语

为了更加有效地利用Sc，并为以后研究Sc在铸造Al-Si合金中的作用以及含Sc铸造Al-Si合金的工业化生产与应用提供参考，本文对国内外相关研究结果进行了总结和对比分析。

1) Sc能改善铸造Al-Si合金的组织，如细化初生α-Al晶粒、变质共晶Si、增加析出相等，能有效提高合金的性能，如抗拉强度、伸长率、高温性能等。

2)在未来研究Sc在铸造Al-Si合金中的作用时，需要进一步研究Sc对铸造Al-Si合金铸造工艺性能的影响，研究Sc变质共晶Si的机制，研究Sc的最佳添加量、合金成分(如Si含量)和凝固速率三者之间的关系。在研究Sc与其他元素联合添加在铸造Al-Si合金中的作用时，建议将其他元素根据铸造Al-Si组织进行分类研究，以提高研究效率。