航空机载设备用优质铝合金Al7Si0.3MgTiSb

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1　概述

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　　为了提高航空机载电子设备的性能并降低制造成本，机载电子设备结构件正向整体化、轻量化方向发展。这一客观要求推动了近无余量铝合金精密铸造技术的进步。以轻巧美观的整体精密铸件取代用钎焊、联接件拼装组合的结构件。正在逐渐形成发展趋势。材料是获得优质铸件的关键之一。用于机载设备的铝合金应具有很好的综合机械性能，组织气密性和铸造工艺性。本文将主要介绍Al7Si0.3MgTiSb的合金化原理以及对该合金进行晶粒细化，变质处理，大幅度提高合金性能的最新研究结果。

2　合金化原理

　　Al7Si0.3MgTiSb合金由在Al-Si二元合金中添加Mg发展而来。其三元合金相图如图1所示。根据相图可以看出，该合金在平衡凝固后处于（Al）+Si的两相区内。但由于不平衡凝固的结果，其相组成将是（Al）+Si+Mg2Si。图2为图1中Al-Mg2Si的垂直截面。可以看出，Mg2Si在固溶体中的溶解度随温度上升而急剧增加，所以是可以通过固溶热处理而强化的合金。Mg2Si是一种晶格复杂，具有立方结构，空间群为Fm3m的化合物。当固溶淬火时，Mg2Si先溶入基体中。而后在时效过程中，从基体中形成细小弥散分布的GP区并进而发展为过渡相，从而使合金得到强化。

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图1　Al-Si-Mg三元合金相图富铝角

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图2　Al-Mg2Si相图

　　Al-Si-Mg2Si三元共晶面的平衡温度为555℃，而非平衡共晶温度要低于此温度，所以最高固溶温度只能取为535℃左右。此时，Mg在基体中的平衡溶解度为0.6%。而在实际条件下，要低于此值。如Mg量太高，则不能固溶的残余粗大的Mg2Si相将分布在晶界，急剧降低合金的延伸率。故合金中的Mg量确定为0.3%左右。Ti、B、Zr、V、Nb、Cr等元素都有细化晶粒的效果，但以Ti的效果较佳。图3为Al-Ti合金相图。由图可见，在合金中加入少量Ti,即会发生包晶反应，在液体内产生大量细小、弥散的TiAl3质点。TiAl3与Al都是立方晶系，晶格类型相同，晶格常数相近。所以，TiAl3能作为结晶核心，（Al）将依附在TiAl3上形核。

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图3　Al-Ti合金相图

　　Fe是合金中的有害杂质。Fe在合金中以脆性化合物Al9Fe2Si2的形式存在，其形态为粗大片状或针状。在合金中起割裂基体的作用，严重恶化合金的力学性能，特别是延伸率。同时，还降低合金的抗腐蚀性。所以，应对含铁量严格控制，一般应限制在0.18%以下。

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3　实验结果

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　　实验合金采用高纯Al,高纯Mg和结晶Si配制。晶粒细化采用Al-5%Ti-B合金，共晶Si的细化（变质）采用Al-5%Sb中间合金。合金在电阻炉中进行熔炼。先配制成预制锭，浇注成小锭块,然后快速重熔，采用熔剂-浮游联合精炼工艺进行除杂除气,静置10min后浇注试样。
　　图4为合金中Ti含量与晶粒尺寸的关系。可以看出，当Ti含量大于0.15%时，晶粒已得到显著的细化。大约在0.15%～0.3%达到最小值。但Ti的加入量不能过多，以免产生TiAl3偏析，失去非均质形核的作用。

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图4　Ti含量与合金晶粒度的关系

　　有研究表明，晶粒细化具有时间效应。由于TiAl3的比重较大，长时间的保温将促使TiAl3化合物的集聚和长大，在坩锅的下部产生大块片状TiAl3,引起晶粒的再粗化。因此，熔炼后应尽快浇铸完毕。合金的纯净度和均匀度对性能的稳定性都有影响。采用联合精炼法通常比单一的精炼方法有更小的性能均方差。采用低压浇注时，由于升液管内金属液周期性回流会对坩锅中的合金液产生搅拌作用，有助于减少TiAl3的偏析；在重力浇注时，则应适时地进行人工搅拌。
　　合金的力学性能不仅仅取决于晶粒的细化程度，而且也与共晶组织中Si的尺寸和形态有关。金属Sb是一种共晶Si的细化剂。在金属型铸造或快冷条件下，在合金中加入微量的Sb,就能使共晶Si得到显著的细化，并提高力学性能。特别是在热处理（T5或T6）后，其塑性指标得到成倍增长。由图5和图6可看出，Sb的加入量不能过多，否则将使性能降低。Sb在Al中的固溶度极小，在657℃产生共晶反应（L→Al+AlSb）。当Al中加入Sb后，即形成AlSb化合物。故有人认为，AlSb和Si均属立方晶系，且晶格常数非常接近。所以，AlSb可以作为Si的结晶核心。也有人认为，是由于Al-AlSb的共晶温度比Al-Si的共晶温度要高，凝固时Al-AlSb先共晶析出，产生大量细小的共晶团作为Al-Si共晶的结晶核心而使共晶组织得到细化。从结晶学的角度来看，加入Sb与加入Na、Sr等变质元素不同。Sb并不改变共晶Si的结晶形态。所以，严格地说，Sb只是细化剂而不是变质剂。

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图5　Sb对抗拉强度的影响（T5状态）

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图6　Sb对合金延伸率的影响（T5状态)

4　合金的应用

　　从应用的角度来看，除了合金的性能应满足一定的使用要求外，合金的流动性、吸气和疏松倾向等铸造工艺性能就是人们最关心的问题。研究表明，该合金的充型流动性，抗吸气氧化性及气密性均优于Na、Sr等变质元素，但存在冷却速度效应。因此，在工艺上应注意以下问题：
　　①航空机载设备结构铸件以薄壁、精密为特征，需用近无余量铸造，如压力铸造、调压精铸或金属型铸造方法。铸件冷却速度较大，可以得到较好的细化效果。对厚大热节处应采取激冷措施。
　　②在凝固特性方面，该合金趋向于集中疏松。因此，只要在进行铸件充、补系统结构和工艺设计时，保证铸件的顺序凝固并给予充分的补缩，就可以获得组织致密、气密性高的铸件。
　　③由于Sb在合金中很少氧化和烧损，所以其细化作用具有长效性。合金可以多次重熔，在配料计算时。必须考虑回炉料中已有的含Sb量，然后给予适量补充。
　　④该合金可采用铸造直接淬火工艺。当铸件温度冷却至低于合金的固相线时，直接将其淬入冷却介质中，可得到很好的固溶处理效果。对于尺寸稳定性要求高的零件，在固溶处理后，还可进行低温循环处理。
　　综上所述，Al7Si0.3MgTiSb合金是一种综合性能优良的热处理型铸造铝合金。通过适当的热处理工艺，可在大范围内调整机械性能，特别是具有高的延伸率。该合金尤其适合于制造机载设备的箱体、仪器仪表外壳、结构支架、电路插件基板和微波器件等等。【MechNet】