锂变质铝硅合金中硅相的组织形态分析

葛辽海，赵　红

(中国科学院长春应用化学研究所，长春130022)

曹占义，贾树盛，连建设，高　鹏

(吉林工业大学材料科学与工程学院，长春130025)

自本世纪初发现钠对铝硅合金的变质作用以来，变质剂的开发和变质机理的探讨一直是铝硅合金研究的热点课题。通过对铝硅合金变质过程的研究，不仅改善了铝硅合金的使用性能，而且推动了金属-非金属型共晶凝固理论的发展。尽管锂元素的化学、物理性能与钠有很多相似之处，但是关于其变质作用的报道分歧较大。这可能是由于锂化学活性较大，变质过程中变质剂含量控制不准造成的。随着航天航空领域新材料的发展，铝锂合金的应用范围扩大。本文对铝锂变质剂的应用过程和相关机理进行了初步的探索。

样品制备

试验材料:变质对象为ZL101合金。变质剂是铝-6%锂中间合金。

熔铸工艺:在720～740℃熔化ZL101合金，相同条件下精炼和除渣去气，并覆盖一层保护剂，然后按设计量加入铝-6%锂中间合金。略作搅拌静止5～10min之后将其分别浇铸到保温砖模具、砂型和金属型模具(GB1173-93)中。

检验方法:对铸造毛坯取样，分别进行1%HF腐蚀后的光学显微金相分析和15%腐蚀后的扫描电镜形貌分析。

组织分析

1.光学金相分析

未经变质剂处理的铝硅合金光学金相组织如图1所示。ZL101合金中添加一定量的铝-锂中间合金以后在三种模具试验条件下均可获得优良的变质组织。在光学金相显微镜下可以观察到三种组织(图2):浅灰色的角状化合物、呈卵状均匀分布的先共晶α铝和分布于其间的铝硅共晶组织。其中浅灰色的角状化合物是本次试验中发现的特殊组织，在其它变质剂处理的合金中没有发现过;卵状组织是树枝状先共晶铝的二维剖面;经放大可见共晶组织由点状的硅晶体和基体组成[1～3](图3)。

21扫描电镜分析

深腐蚀之后用扫描电子显微镜可以看到共晶硅相是很细的纤维状组织(图4)，与钠变质组织的形态基本相同。纤维的发达程度比钠变质的更大。在其它试验条件下，没有发现过变质现象。这可能与过量的锂变质剂形成了特殊的化合物有关。

31变质组织中的特殊化合物

在锂变质组织中发现了一种在其它变质条件下没有看到过的特殊的化合物相。在光学金相显微镜下观察，冷却速度较低的保温砖模具和砂型模具凝固的合金中该相的形态为块状，而在冷却速度较快的金属型模具中凝固的合金中该相的形态为分枝状。在20%NaOH水溶液深腐蚀以后，该相被保留下来。扫描电镜下观察可见该相的立体形态有两种(图5)，一种为空心构件状;另一种为分枝的片状。用能谱分析只能确定该化合物中的铝硅比例。其它相关信息有待于进一步研究。推测该相为铝硅锂化合物。

    图1　变质处理前铝硅合金的光学金相组织。

    图2　锂变质后铝硅合金的光学金相组织。

    图3　锂变质后铝硅合金共晶组织的光学金相组织。

    图4　锂变质后铝硅合金中硅相的立体形态。

    图5　锂变质铝硅合金中的特殊化合物相。