作者：张毅
原位自生复合材料中的增强相是在合金凝固过程中析出生成的，在界面处与基体结合牢固，且增强相／基体界面处于低界面能状态，因而具有良好的热稳定性；同时也避免了外生复合材料中增强相与基体之间的润湿、化学反应或相容性等问题。因此这种复合材料一直被材料界和工程界看好，并在轻质耐磨、高温耐热等立用场合寄予厚望。在Al—Mg-Si合金中，由于结晶特性的原因，该合金凝固时Mg和Si的相互作用，将在最终的凝固组织中形成一定数量的Mg2 Si颗粒分布在Al基体中。Mg2 Si不但具有高熔点(1 0850C)、低密度、高硬度、低热膨胀系数和高的弹性模量(120 GPa)等特点，而且通过调节Mg与Si的含量，可获得不同体积分数的Mg2 Si相。此外，构成Mg2 Si相的Mg、Si元素在地球中储量大、开采容易和价格低廉，使得Mg2 Si/Al复合材料可成为一种具有发展潜力的新型绿色结构材料。但是，Mg2Si作为金属间化合物具有严重的晶间脆裂倾向，其尺寸粗大、割裂基体，因而对于如何改变Mg2 Si尺寸、形态分布，提高复合材料的强韧性．研究者做了大量研究：包括应用P、K2 TiF6 、NaCl、稀土与稀土氧化物对Mg2 Si相变质与细化处理，通过熔体过热处理、等温保温“，甚至热处理技术、电磁搅拌技术和超声波技术来改善Mg2Si的形貌与尺寸，均取得了较好的效果。将Mg的添加量控制在6%～15%，来研究过共晶Al-15S1-4Cu-Mg合金的凝固行为的影响，Mg强烈影响主要相Mg2 Si的组织演变以及凝固行为。当Mg添加量为12. 52%时，初生相Mg2Si的形态由一个八面体转变为枝晶的形式存在LI S P等。通过热力学分析，运用定向凝固技术研究Al( Li)-Mg2 Si，发现在T=O的情况下，Al( Li)-Mg2 Si共晶合金的组织结构呈现最好的取向结构，Mg2 Si相形态呈棒状，十字状等。OUR-FALMF等研究了Bridgman凝固态的过共晶Al-Mg-Si合金在一定的拉坯速率下，初生Mg2 Si相则由不规则多面体转变为树枝晶。过往研究大多集中在对过共晶Al-Si合金基体的复合材料中Mg2Si相的变质与细化，期间还不乏涉及初生Si相的变质处理，但由于过共晶铝硅合金复合材料中含有相对较高的Si量，基体呈现脆性倾向，受外力作用时表现出较低的塑性变形。因此，本课题以亚共晶Al-Si合金为研究对象，通过调节Mg的加入量获得Mg2Si／Al原位复合材料，针对Mg2 Si形貌改变的问题，探讨了稀土La对Mg2Si／Al原位复合材料中的初生Mg2 Si形貌的改变和其对力学
性能的影响，期望能够得到Mg2 Si形貌改变和稀土变质的方法与技术。
1 试验材料与试样制备
所用的原材料由99. 7%（质量分数，下同）的工业铝锭、Al-20S1中间合金、99. 7%的镁锭在SG-7. 5-10型坩埚电阻炉中熔配，以Al-6. 7Si合金为基体，通过调节Mg的加入量来控制复合材料中Mg2Si的含量。经分析计算，铸锭成分为：Al-12. 5Mg-6. 7S1．即获得了Mg2 Si含量为18%的Mg2 Si/Al复合材料。采用S4型波长色散荧光光谱仪(XRF)分析AI-12. SMg-6.7 Si合金的化学成分，结果见表1。
每炉炉料约为500 g。首先将石墨坩埚预热到500～6000C，同时也将工业铝锭、Al-20Si中间合金、99. 7%镁锭预热到200℃左右待用；将铝锭和Al-20Si中间合金加入到坩埚中，升温使其熔化，当温度升至720 0C时，为防止Mg烧损，加入用铝箔包裹的Mg锭并用钟罩压人铝液深处，静置10 min，然后再通人0.3%～0.5%的C2Cl6除气精炼，搅拌均匀后静置2min后，浇注到预热到5000C的金属型(尺寸为75mm×80 mm，壁厚为5 mm)中对其进行水淬并及时脱模。为了形成对比试验，再次选取Al-18Mg2 Si复合材料加入适量的Al-50La合金，凝固之后形成Al-18Mg2 Si-xLa（x为0.2、0.4、0.6和0.8）采用热电偶和电位差计测定合金温度。从各试样中部同一位置截取12 mm×12 mm×15 mm试块。制成金相试样后用体积分数为0. 5%的HF溶液腐蚀试样，在LeicaDM2500M光学显微镜观察试样的金相组织；用Imagepro plus 6.0图像分析软件测量每个试样中的Mg2 Si颗粒平均尺寸。
试验对加入稀土和未加入稀土的Al-Mg2 Si复合材料采用EMPYREAN型X射线衍射仪测试试样成分和在WD-P4204型微机控制电子拉力试验机（最大负荷为20 kN）进行拉伸试验(拉伸速度为1 mm／min)，拉伸试样见图1．每组试样拉断3根，取其平均值。用MLA650F型扫描电镜进行断口形貌观察；硬度检测采用HB~3000C电子布氏硬度计。
2 试验结果分析
2.1 稀土Ia对Mg2 Si／AI复合材料凝固组织的影响
图2是原生Mg2 Si/Al基复合材料的SEM图及能谱分析。EDS分析可知，A处黑色的多边形颗粒是初生Mg2 Si组织，B处的针条状物是共晶Mg2Si组织。
图3是添加稀土La前后的Mg2 Si／Al复合材料的凝固组织。通常，Mg2 Si/Al复合材料主要由初生a-Al、初生Mg2 Si、初生Si和共晶组织组成。由图3可见，复合材料中的组成相只有初生Mg2Si和共晶Al-Mg2Si组织。另外发现，图3中灰褐色块状物为初生Mg2 Si相，白色部分为a-Al组织，纤维状密布组织为共晶组织。对比图3a～图3e可以发现，添加稀土La后，该复合材料的显微组织得到一定改善，即初生Mg2 Si颗粒尺寸减小，形状由不规则多边形向球状改变。由图3a可知，没有添加稀土La时，该复合材料中的Mg2 Si颗粒多呈不规则块状或长条状，部分颗粒的边角尖锐，尺寸比较粗大，为37 μm;添加0.2%的La后，初生Mg2Si颗粒稍许有变大，形状有所改变，见图3b。添加0.4%的La后，Mg2 Si尺寸变化比较明显，开始稍有减小，颗粒形状明显改善，大都为多边形状颗粒，且分布均匀，见图3c。添加0.6%的La后，细化效果进一步增强，初生Mg2 Si颗粒尺寸减小为18 μm，破碎成圆球状颗粒，见图3d。然而当La含量达到0.8%时，初生Mg2 Si颗粒尺寸相比0. 6%的La开始变大，其形状呈现多边形，见图3e。这可能是因为稀土添加过量，引起毒化作用。
从图3a～图3d可以看出，共晶Mg2Si组织发生了一个针片状一短杆状一蠕点状的转变，针片状的共晶Mg2 Si组织对于基体的割裂作用严重，很大程度上影响了复合材料的力学性能；随着La添加量的增加．共晶Mg2 Si组织破碎转变为蠕点状，均匀分布在基体上，力
学性能得到了改善。图4为不同La添加量对初生Mg2 Si尺寸和体积分数的影响。从图4可以看出，La的添加对Mg2 Si的体积分数有明显影响，随着La的增加，体积分数与Mg2Si颗粒尺寸的变化趋势保持一致。
图5是Mg2 Si／Al复合材料的XRD图谱。可以看出，添加后，Mg2 Si／Al复合材料中出现了Al11 La3相：有研究表明，La与Al生成Al11 La3相，而稀土是一种活性元素，易偏聚在固液界面前沿，降低表面能。在金属凝固过程中，由Al-La二元相图可知，AI11La3相形成温度为640℃，因而先形成Mg2 Si相，此时未形成化合物的La吸附在Mg2 Si前沿，降低表面能和形核功，促进更多的Mg2 Si晶核生成，另一方面促进Mg2 Si同向生长。随着温度的进一步下降，形成Al11La3相分布在Mg2 Si的晶界周围，进一步阻碍Mg2 Si生长，细化Mg2Si相。对于稀土变质Mg2Si的机理，赵宇光等认为Al-RE中间合金可能对Al、Mg2 Si和Si形成的系统有着十分相似的作用机理，RE的晶格常数与Mg2 Si相近，所以RE可以作为Mg2 Si的形核核心，导致Mg2Si的晶核增加，从而使其尺寸减小。JIANG QC等认为可能与RE增加Si的活性有关。
2.2 La对Mg2 Si／AI复合材料力学性能的影响
图6是未添加La和添加Mg2 Si/Al复合材料的力学性能。从图6可以看出．加入La后，铸态下Mg2 Si/Al复合材料的抗拉强度和伸长率整体上升，添加至0. 6%到达最大值，分别由84 MPa提高到108 MPa和2. 02%提高到2．j6%：相比未添加La的复合材料的抗拉强度和伸长率明显提高。同样也可以看到随着稀土添加量的增加，硬度先增加后减小；在La添加量为0. 6%时，硬度(HB)最高为108. 38，这与复合材料的组织形貌相关。
图7与图8分别是未加La和加La的Mg2Si/Al复合材料拉伸断口形貌。可以看出，断口形貌呈现脆性断裂和塑性断裂混合状态，有少量的韧窝，同时有准解理面存在。Al-Si合金的拉伸断裂形式一般表现为滑移带开裂、沿晶开裂和韧窝型开裂3种。从图7可以看出，断口层次感明显，有少量的韧窝，同时有大量的小而短的撕裂棱分布在准解理面上，撕裂棱非常明显。对于未加La处理的Mg2 Si／Al复合材料，当合金具有大尺寸枝晶胞时，断裂模式为穿晶断裂，具有小尺寸枝晶胞时为晶间断裂。这是因为在具有小二次枝晶臂间距值的试样中，Mg2 Si颗粒的开裂优先出现在晶界上，开裂路径主要由沿晶断裂控制。然而，在大尺寸二次枝晶臂间距值试样中，Mg2 Si颗粒开裂主要集中在胞晶界上，断裂方式为穿晶断裂，且开裂路径主要沿枝晶胞界。因为在大尺寸二次枝晶臂间距合金中，枝晶胞界上分布着一定数量的Mg2 Si颗粒，因此提供了裂纹容易扩展的通道，导致沿胞（即穿晶）方式断裂。相反，在具有小尺寸二次枝晶臂间距合金中，因为缺少连续的胞界，这将使穿晶断裂变得困难。
3 结 论
(1)在Mg2 Si／Al复合材料中，添加La可以改善复合材料凝固组织；La在铝合金中与Al形成了A111La3相，分布在晶界上，可阻止初生Mg2 Si颗粒的长大。
(2)经La细化变质的Mg2 Si／Al复合材料比未处理的Mg2 Si／Al复合材料的初生Mg2 Si颗粒更细小；Mg2 Si／Al-La合金复合材料的力学性能得到改善，其抗拉强度和伸长率显著提高。
(3) Mg2Si／Al复合材料经La细化后，其断口形貌发生了明显的变化，撕裂棱突出很明显，韧性较未添加稀土的更好。电镜观察还表明，两种复合材料的断口形貌都呈现准解理断裂。
4摘要
采用重力铸造法制备了原位自生Mg2 Si／Al复合材料，研究了稀土I，a处理的Mg。Si/Al基复合材料的组织形貌和力学性能。结果表明，稀土La对Mg2 Si/Al复合材料的凝固组织有影响；添加稀土处理的Mg2 Si／AI基复合材料中的 Mg2Si颗粒变得更加细小，La与Al相互作用形成Al11 La3相可阻止Mg2Si相长大；添加La之后，铸态Mg2 Si／AI基复合材料的力学性能得到改善，其抗拉强度和伸长率分别为108 MPa和2.56%。
