轻量化是提高新能源汽车续航里程的重要手段，铝合金作为优异的轻量化材料在汽车零部件上的应用前景广阔。 在车用铸造铝合金中， 典型如A356 合金属于亚共晶铝硅系合金， 具有中等强度，优良的铸造成型性能和机械加工性能， 在轮毂、控制臂、一体化车身等多种零件上都有广泛应用。 但是面对日益发展的高性能构件需求，铸造铝硅合金的强度、塑性和导电性有所不足，相比锻造铝合金一般要低10%~40%[1]，导致其应用受到限制。 这主要是由于铸造态铝硅合金中的共晶硅往往呈现为粗大的针状或片状[2]，对基体产生割裂，从而易导致断裂的发生， 而且共晶硅对电子散射的阻挡会导致合金的导电导热性差[3]。 因此，细化共晶硅组织是提高铸造铝合金综合性能，实现扩大应用的有效解决途径。
目前已发展出多种细化剂和变质剂来进行铝合金的组织细化研究，包括Ti、B、P、Sr、Zr、Sc 等元素。工业上比较常用的细化剂是Al-Ti-B[4]，其作用主要是细化α-Al 晶粒，研究人员希望进一步添加其他元素来提高对共晶硅的同步细化，但Liao 等[5]发现当同时添加Sr 和B 到一定含量时会产生中毒效应，即合金中铝基体和共晶硅的细化效果衰退的现象。 类似地，Mao 等[6]研究发现，Sr 或Zr 与Al-Ti-B 同时加入铝硅合金中也会产生中毒现象，主要是由于不同添加元素相互之间可能会形成不利的金属间化合物，并对变质元素产生消耗。 而稀土元素作为“工业味精”，具有稳定的活性，既能够细化铝基体晶粒，又对共晶硅组织产生变质细化[7-8]，是铝合金中比较理想的添加剂。 Liu 等[9]对比研究了P、Sr 和Ce 3 种元素对AlSi 合金组织与性能的影响，发现P 对共晶硅的细化作用较弱，而Sr 和Ce 能够使共晶硅由链状细化为针状，尤其Ce 可同时使得α-Al 晶粒显著细化。 近年来，国内以镧(La)、铈(Ce)等元素为主的高丰度稀土形成了大量积压，价格走低，为稀土在铝合金中应用提供了良好机会。 本文选择单一稀土La 作为变质元素， 系统研究其对铝硅二元合金的组织细化、力学性能和导电性的影响。
1 实验材料与方法
实验原材料为99.9%的纯铝、Al-20Si 中间合金和Al-20La 中间合金。图1 为Al-20La 中间合金的微观组织，白色的Al-La 相呈弥散均匀分布。 通过金属型重力铸造制备了Al-8Si-xLa(x=0、0.10%、0.15%、0.30%，质量分数，下同)合金，其成分如表1 所示。具体制备过程如下， 按配比量将纯铝锭置于中频感应加热的石墨坩埚中熔化， 当铝液温度为670 ℃，加入Al-20Si 中间合金， 升温至730 ℃进行精炼除气，除渣后静置20 min，升温至750 ℃加入Al-20La中间合金并充分搅拌， 熔体除渣后再静置40 min，700 ℃时浇注到金属型中，室温冷却制得铸锭。合金金相试样经机械抛光和Keller 试剂腐蚀，然后利用蔡司光学显微镜观察， 采用Phenom 台式扫描电镜进行形貌鉴定和能谱测试。 合金拉伸试验采用GB6397-86 标准拉伸试样， 在Zwick/Roell Z100 万能材料试验机上进行，拉伸速率为1 mm/min。 合金电导率采用国产Sigma 2008B 涡流金属导电仪测量，每个样品测量7 次取平均值。
表1 实验合金成分
Tab.1 Chemical compositions of the studied alloys(mass fraction/%)
AlloySiLaAl No.180Bal.No.280.1Bal.No.380.15Bal.No.480.3Bal.
图1 Al-20La 中间合金的SEM-EDS 图像：(a)选取EDS 区域；(b)Al 元素分布；(c)La 元素分布
Fig.1 SEM-EDS images of the Al-20La master alloy：(a)selected EDS region;(b)Al distribution;(c)La distribution
2 实验结果及讨论
2.1 添加不同La 含量的铝硅二元合金显微组织
图1 为不同La 含量的4 种铸造铝硅合金的金相显微组织。 可以看到，未加入La 的铝硅二元合金组织中α-Al 晶粒呈粗大枝晶状，聚集的共晶硅也对基体割裂严重。 当加入0.1%La 后，共晶硅的聚集情况显著改善，但α-Al 枝晶组织仍然存在。当La 含量增加到0.15%， 铝硅合金显微组织得到比较理想的变质和细化，不但共晶硅呈现均匀分布，基体铝的枝晶成熟度也显著降低，晶粒细化与第二相细化可使得力学性能提高，同时也有助于降低热裂倾向[10]，使铸造成型性能提高。 而继续提高La 含量到0.3%后组织细化效果没有增加。 稀土的加入使铝合金晶粒显著细化，其作用机理普遍认为是由于Al 原子与稀土原子的共晶反应所生成的金属间化合物能够作为合金中初生α-Al 的异质形核基底[11]。
图2 和3 为加入与未加入La 的铝硅合金在SEMEDS 面扫下的硅形态照片。 可以看到，未加入La 的铸造组织中Si 呈粗大片层状或棒状，对基体的割裂较严重，不利于合金的强塑性[12]；而加入0.15%La 后共晶硅则显著被细化，呈针状或短片状，其与基体间的协调变形能力更好，可提高合金的延展性。 稀土La细化共晶硅的机理目前普遍认为是通过改变Si 相的长大行为来影响共晶Si 的形貌[13]，稀土原子能够吸附在共晶Si 生长界面前沿，同时引起晶格畸变，诱发高密度交错孪晶的形成，使共晶Si 从片状结构转变为纤维状结构。因此当采用稀土中间合金作为变质剂时，需要足够的高温静置时间使高熔点稀土相被充分熔解，以发挥稀土原子对共晶硅的细化作用。
图2 加入不同La 含量的铸造铝硅合金的金相组织：(a)Al-8Si;(b)Al-8Si-0.1La;(c)Al-8Si-0.15La;(d)Al-8Si-0.3La
Fig.2 Microstructure of Al-Si casting alloys with different La contents：(a)Al-8Si;(b)Al-8Si-0.1La;(c)Al-8Si-0.15La;(d)Al-8Si-0.3La
图3 加入La 前后的铸造铝硅合金的SEM-EDS 图像：(a)Al-8Si;(b)Al-8Si-0.15La
Fig.3 SEM-EDS images of the Al-Si casting alloy with and without La：(a)Al-8Si;(b)Al-8Si-0.15La
2.2 不同La 含量的铝硅二元合金的力学性能
图4 比较了重力铸造状态下Al-Si 二元合金与添加不同含量稀土La 后的拉伸力学性能。 随着La含量的增高，Al-Si 二元合金的屈服强度和伸长率都呈先增加后降低的趋势， 在La 含量为0.15%时，合金的强塑性最好，尤其是伸长率显著提升了1/3，这与组织改性相对应，α-Al 晶粒的非枝晶和共晶硅的细化都有效减弱了对基体的割裂， 使铝合金在拉伸变形过程中不易于产生微观应力集中，降低裂纹产生倾向，从而有利于伸长率显著提升。 即使加入0.1%的La，也能够使共晶硅组织改善，从而提升伸长率(图4)。因此， 微量稀土La 是克服铸造铝硅合金塑性低的一个有效元素，对AlSi 二元合金强度提高作用不明显。在高塑性基础上，进一步提升铸造铝硅合金强度可依靠引入其他合金化元素的手段，如添加Mg、Cu 等元素可以生成第二相强化[14-15]。
图4 加入不同含量稀土La 的Al-8Si 合金的力学性能对比
Fig.4 Comparison of the mechanical properties of Al-8Si casting alloys under different conditions
2.3 导电性
纯铝的导电性很好， 电导率为37.1×106 S/m[16]，然而铝和硅的导电能力差别很大，硅是半导体，在未经变质的铝硅合金中，一旦共晶硅相呈粗大的片状，对电流有较强的阻碍作用， 导致铝硅合金的电导率较低， 因此电导率在一定程度上能够反映铝硅合金中共晶硅变质效果的好坏。如图5 所示，铸造Al-8Si二元合金的电导率仅为25×106 S/m，在加入微量La变质后，由于共晶硅的细化，使得对电子散射作用减弱[3]，合金电导率得到显著提升，而当La 含量超过0.15%后， 电导率不再随着La 含量的增加而提高，因此也可以认为，此时0.15%的稀土La 含量是变质铸造铝硅合金中共晶硅的最佳状态。
图5 加入不同含量稀土La 的Al-8Si 合金的导电性能对比
Fig.5 Comparison of the electrical conductivity of Al-8Si casting alloys with different La contents
3 结论
(1)对于铸造Al-8Si 二元合金，加入La 能够对其显微组织进行改性，当La 含量为0.15%时，铝硅合金显微组织得到比较理想的变质和细化，可以使α-Al 基体呈现非枝晶形态， 同时显著细化共晶硅，使其由粗大棒状转变为针状或短片状，整体组织均匀性提升。
(2)微量稀土La 能够显著提升铸造Al-8Si 二元合金的伸长率，主要是由于组织上晶粒和共晶硅的双重细化，随着La 含量的增加，铝硅合金的伸长率呈现先增加后稳定的趋势，而对合金的强度改善作用不明显。
(3)铸造Al-8Si 二元合金的电导率为25×106S/m，在加入微量La 变质后， 有利于共晶硅对电子散射的影响作用减弱，合金电导率得到显著提升，当La含量为0.15%时，电导率显著提高至27.3×106 S/m，综合显微组织、力学性能与导电性能，0.15%的稀土La 能对铸造铝硅合金起到最佳变质效果。
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