于小健1,2,吉卫喜1,2,钱陈豪1,2,刘书明1,沈坚1
(1.江南大学 机械工程学院,江苏 无锡 214122;2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡 214122)
摘要:
为降低锶(Sr)变质Al-7Si合金熔体的含氢量和解决单添加稀土钇(Y)导致合金生产成本上升的问题,利用测氢仪、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、WDW电子万能试验机和导电仪等测试手段,研究了Sr-Y复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响规律并对其作用机制进行了分析探讨。结果表明,Sr-Y复合变质不仅能降低合金熔体含氢量,还具有细化α-Al相和变质共晶Si的作用,同时能够提高合金力学性能和导电率。当添加0.05%Sr+0.15%Y复合变质剂时,熔体含氢量仅为0.12 mL/(100g Al),合金α-Al相高度细化为致密的等轴晶或椭圆晶,共晶Si从粗大的板片状和纤维状转变为细小的颗粒状。T6热处理后的合金抗拉强度、延伸率和导电率达到了296 MPa、10.2%和41.7% IACS,比单独Sr变质分别提高了10%、21%和7%,其拉伸断口表面呈现大量细小密集的韧窝,形状规则且分布均匀,属于韧性断裂。
关键词: Sr-Y 复合变质 Al-7Si 组织 性能
DOI：10.11951/j.issn.1005-0299.20200031
分类号:TG146
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金项目(51905215)；江南大学大学生创新训练计划重点项目(2021110Z)；2019年度江南大学实验室管理专项研究课题(No.22).
Effect of Sr-Y compound modification on the microstructure and mechanical properties of the Al-7Si alloy
YU Xiaojian1,2, JI Weixi1,2, QIAN Chenhao1,2, LIU Shuming1, SHEN Jian1
(1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Wuxi 214122, China; )
Abstract:
In order to reduce the hydrogen content of the Al-7Si alloy melt modified with Sr and lower the increasing production cost of alloy modified with single rare earth Y, the effect of Sr-Y compound modification on the microstructure and mechanical properties of the Al-7Si Alloy was investigated by the hydrogen gauge, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), WDW universal electronic testing machine and conductivity testing. Furthermore, the compound modification mechanism of refined microstructure and improved mechanical properties was discussed. It is found that the Sr-Y compound modification can not only effectively reduce the hydrogen content in alloy melt, but also refine the α-Al dendrite and modify the eutectic Si. Meanwhile, the Sr-Y compound modification can improve the mechanical properties and electrical conductivity of the Al-7Si alloy. When adding 0.05%Sr and 0.15%Y, the hydrogen content of the alloy melt is only 0.12 mL/(100 g Al), and the α-Al dendrite becomes into the dense equiaxed or elliptical crystals, and the eutectic Si changes from coarse plate and fiber to fine nanoparticles. The tensile strength, elongation and conductivity of the Sr-Y modified Al-7Si alloy are 296 MPa, 10.2% and 41.7% IACS, respectively, after T6 heat treatment. These values are improved by 10%, 21% and 7% compared with Sr modification accordingly. And the surface of tensile fracture illustrates abundent small and dense dimples with regular shape and uniform distribution, which belongs to ductile fracture in mechanism.
Key words: Sr-Y compound modification Al-7Si microstructure mechanical properties
于小健, 吉卫喜, 钱陈豪, 刘书明, 沈坚. Sr-Y复合变质对Al-7Si合金组织和性能的影响[J]. 材料科学与工艺, 2021, 29(3): 49-56. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200031.
YU Xiaojian, JI Weixi, QIAN Chenhao, LIU Shuming, SHEN Jian. Effect of Sr-Y compound modification on the microstructure and mechanical properties of the Al-7Si alloy[J]. Materials Science and Technology, 2021, 29(3): 49-56. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200031.
基金项目 国家自然科学基金项目(51905215)；江南大学大学生创新训练计划重点项目（2021110Z）；2019年度江南大学实验室管理专项研究课题(No.22) 通信作者 吉卫喜，E-mail: ji-weixi@126.com 作者简介 于小健(1988—)，男，硕士研究生 文章历史 收稿日期: 2020-02-26 网络出版日期: 2020-05-22
Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF
Sr-Y复合变质对Al-7Si合金组织和性能的影响
于小健1,2, 吉卫喜1,2
, 钱陈豪1,2, 刘书明1, 沈坚1 1. 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122;
2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122
收稿日期: 2020-02-26; 网络出版日期: 2020-05-22
基金项目: 国家自然科学基金项目(51905215)；江南大学大学生创新训练计划重点项目（2021110Z）；2019年度江南大学实验室管理专项研究课题(No.22)
作者简介: 于小健(1988—)，男，硕士研究生.
通信作者: 吉卫喜，E-mail: ji-weixi@126.com.
摘要: 为降低锶(Sr)变质Al-7Si合金熔体的含氢量和解决单添加稀土钇(Y)导致合金生产成本上升的问题，利用测氢仪、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、WDW电子万能试验机和导电仪等测试手段，研究了Sr-Y复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响规律并对其作用机制进行了分析探讨。结果表明，Sr-Y复合变质不仅能降低合金熔体含氢量，还具有细化α-Al相和变质共晶Si的作用，同时能够提高合金力学性能和导电率。当添加0.05%Sr+0.15%Y复合变质剂时，熔体含氢量仅为0.12 mL/(100g Al)，合金α-Al相高度细化为致密的等轴晶或椭圆晶，共晶Si从粗大的板片状和纤维状转变为细小的颗粒状。T6热处理后的合金抗拉强度、延伸率和导电率达到了296 MPa、10.2%和41.7% IACS，比单独Sr变质分别提高了10%、21%和7%，其拉伸断口表面呈现大量细小密集的韧窝，形状规则且分布均匀，属于韧性断裂。
关键词: Sr-Y 复合变质 Al-7Si 组织 性能
Effect of Sr-Y compound modification on the microstructure and mechanical properties of the Al-7Si alloy
YU Xiaojian1,2, JI Weixi1,2
, QIAN Chenhao1,2, LIU Shuming1, SHEN Jian1 1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;
2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Wuxi 214122, China
Abstract: In order to reduce the hydrogen content of the Al-7Si alloy melt modified with Sr and lower the increasing production cost of alloy modified with single rare earth Y, the effect of Sr-Y compound modification on the microstructure and mechanical properties of the Al-7Si Alloy was investigated by the hydrogen gauge, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), WDW universal electronic testing machine and conductivity testing. Furthermore, the compound modification mechanism of refined microstructure and improved mechanical properties was discussed. It is found that the Sr-Y compound modification can not only effectively reduce the hydrogen content in alloy melt, but also refine the α-Al dendrite and modify the eutectic Si. Meanwhile, the Sr-Y compound modification can improve the mechanical properties and electrical conductivity of the Al-7Si alloy. When adding 0.05%Sr and 0.15%Y, the hydrogen content of the alloy melt is only 0.12 mL/(100 g Al), and the α-Al dendrite becomes into the dense equiaxed or elliptical crystals, and the eutectic Si changes from coarse plate and fiber to fine nanoparticles. The tensile strength, elongation and conductivity of the Sr-Y modified Al-7Si alloy are 296 MPa, 10.2% and 41.7% IACS, respectively, after T6 heat treatment. These values are improved by 10%, 21% and 7% compared with Sr modification accordingly. And the surface of tensile fracture illustrates abundent small and dense dimples with regular shape and uniform distribution, which belongs to ductile fracture in mechanism.
Keywords: Sr-Y compound modification Al-7Si microstructure mechanical properties
Al-7Si合金因具有质量轻、比强度高和耐磨性能好等优点，在汽车和航空航天等领域备受青睐，常用于制造汽车轮毂、飞机液压管和直升机起落架等结构部件[1-3]。常规铸造Al-7Si合金组织由初生α-Al相和共晶硅组成，其中共晶硅以粗大的针片状或者板条状析出，割裂铝基体的连续性，且在共晶硅的尖端和棱角处易产生应力集中，降低合金力学性能。实践证明添加变质剂可细化Al-7Si合金显微组织并改善其力学性能。迄今为止，Al-7Si合金的变质剂种类繁多，生产中最常用的变质剂有钠盐和金属锶[4]。钠盐变质有效时间短，微量时即可将针状共晶Si转变为均匀的纤维状[5]，但加入后易引起铝液沸腾和飞溅、腐蚀坩埚和熔炼工具等问题，且重熔后变质效果完全消失；而锶变质具有长效性且无毒，变质后可维持6~8 h，效果远远优于其他变质剂，但单独添加Sr会使合金熔体吸氢倾向加剧，造成铸件疏松率上升和致密性下降等缺陷[6]，最终影响铸件的力学性能和疲劳寿命。
随着现代制造业水平的蓬勃发展，对产品以及零部件材料散热性能的要求也日趋严格和苛刻。高导高散热材料可直接提高零部件的寿命、产品竞争力以及用户体验感。稀土被誉为冶金工业的“维生素”，有“工业黄金”之称，近年来研究表明稀土以中间合金的形式加入到铝、钛等金属中，可形成新型稀土合金，其性能和质量会大幅度提高[3, 7-9]。前期的研究工作中，发现稀土Y确实能细化变质Al-7Si合金，提高铸件力学性能，且具有良好的除氢效果[10-12]。然而，稀土Y价格昂贵，单独作为变质剂使用会大幅增加铸件的生产成本，这严重制约了它的大规模工业化应用。为了克服Sr变质易吸氢的缺陷和单独添加稀土元素带来成本上升的不利影响，Sr-Y复合变质被提出并研究，研究表明，复合变质剂确能提升变质效果，不仅能改善合金的微观组织形貌，而且提高合金的力学性能[4, 22-23]。但Sr-Y复合变质对Al-7Si合金性能影响的研究还鲜有报道。本文基于此背景展开研究，通过改变Sr、Y添加量，研究Sr-Y复合变质对Al-7Si合金组织、性能和导电率的影响，并对其作用机制进行了分析和探讨，为铝合金新材料的发展提供了一种新的思路。
1 实验方法实验合金由江苏凯特汽车部件有限公司提供，其化学成分(质量分数/%)为：7.20 Si、0.36 Mg、0.14 Ti、Al余量。合金熔炼在5 kW石墨坩埚电阻炉内进行，待铸锭完全熔化后先采用C2Cl6对铝熔体进行精炼除渣，精炼温度为760~780 ℃。撇渣后再加入Al-10%Sr和Al-10%Y中间合金，制备名义成分分别为0.1%Sr+0.0%Y、0.05Sr+0.05%Y、0.05Sr+0.1%Y、0.05Sr+ 0.15%Y、0.05%Sr+0.2%Y和0.05%Sr+0.3%Y (制成后测得其实际成分分别为0.094%Sr+0.0%Y、0.048%Sr+0.045%Y、0.046%Sr+0.093%Y、0.047S%Sr+0.144%Y、0.048%Sr+0.194%Y和0.045%Sr+0.292%Y)的6种稀土铝合金。静置30 min后用ELH-IU型测氢仪测得不同合金熔体的含氢量，再将铝熔体降温至700~720 ℃，然后使用预热200 ℃的金属模具浇注成形，空冷至室温。
将坯锭截取成样块进行T6热处理，热处理工艺为：固溶535 ℃×4.5 h+60 ℃水淬+时效180 ℃×8 h。将热处理后的样块按照GB/T228 -2002标准线切割成板状拉伸试样，在WDW电子万能试验机上进行实验，拉伸速率为5 mm/min，每种成分进行3次拉伸测试，实验结果取其平均值，同时通过JSM-6360LA扫描电镜观察其拉伸断口形貌。电导率试样和金相试样取自拉伸试样的夹持端部分。电导率检测设备为D60K数字金属导电仪，测试频率为60 kHz，常温下对试样不同取向和位置进行测量，结果取其平均值。金相试样经研磨和抛光后采用质量分数为0.5%的HF酸进行腐蚀，腐蚀30 s后用去离子水冲洗和烘干，利用Nikon-MR5000金相显微镜观察其组织形貌。XRD分析实验在X/Pert型射线衍射仪上进行，工作电压为40 kV，工作电流为100 mA。
2 结果与分析2.1 复合变质对熔体含氢量的影响表 1为添加不同含量Sr-Y复合变质剂情况下Al-7Si合金熔体的含氢量(未变质时熔体氢含量0.2 mL/(100g Al))。从表中明显看出，单独Sr变质处理的Al-7Si合金熔体中含氢量最高，为0.29 mL/(100g Al)。当采用Sr-Y复合变质剂后，能有效降低熔体中的含氢量，且熔体含氢量随复合变质剂含量的增加呈现线性下降的趋势。当变质剂含量为0.05%Sr+0.15%Y时，熔体含氢量仅为0.12 mL/(100 g Al)，但当含量超过此范围时，熔体含氢量下降幅度逐渐减小，最终趋于平缓。
表1(Table 1)
表 1 Sr-Y复合变质对Al-7Si熔体含氢量的影响Table 1 Effect of Sr-Y compound modification on the hydrogen content of the Al-7Si alloy melt 变质剂含量/% 100 g Al熔体氢含量/mL 0.1Sr+0.0Y 0.29
0.05Sr +0.05Y 0.23
0.05Sr+0.1Y 0.18
0.05Sr+0.15Y 0.12
0.05Sr+0.2Y 0.11
0.05Sr+0.3Y 0.11
表 1 Sr-Y复合变质对Al-7Si熔体含氢量的影响Table 1 Effect of Sr-Y compound modification on the hydrogen content of the Al-7Si alloy melt
单独Sr变质处理Al-7Si合金后，Sr改变了合金熔体表面氧化膜的性质，使氧化物变得疏松和开裂，因此加大了水汽和氢浸入铝熔体的几率，从而导致熔体含氢量增加。而当加入复合变质剂后，一方面由于稀土Y表面活性较强，能在铝熔体表面发生反应生成致密的氧化膜，阻碍了氢和水汽向铝液中的扩散，同时可降低铝熔体的表面张力，从而增大其流动性，这有利于熔体中的氢逸出到液体表面；另一方面稀土Y与氢有较高的亲和能力，能与熔体内游离态的[H]发生反应，生成化学性质稳定的YH2和YH3，起到净化和固氢作用，这是熔体中氢含量下降的主要原因。
2.2 复合变质对合金α-Al相的影响图 1为0.05%Sr +0.15%Y复合变质Al-7Si合金的XRD谱图。从图中衍射峰可看出，Sr-Y复合变质后合金相主要有初生α-Al、共晶Si以及Al3Sr、Al3Y相组成。图 2为不同变质剂含量下的合金α-Al晶粒细化效果图。图 2(a)为单独Sr变质处理的Al-7Si合金组织，从图中可以看出，α-Al相得到一定细化，少量的二次枝晶熔断成条状或不规则的细小枝晶，但晶粒尺寸大小不一，且共晶团明显出现偏析现象。图 2(b)~图 2(e)为Sr-Y复合变质组织图，从图中可以看出，单位体积内的晶粒和枝晶数目，随着Sr-Y含量提高而逐渐增多，说明Sr-Y复合变质确实能促进柱状枝晶形成和细化基体晶粒的效果。当加入0.05%Sr+0.05%Y的复合变质剂后(图 2(b)所示)，由于变质剂含量极少，α-Al形貌多呈椭球形和卵状，尺寸较粗大，细化效果极不理想，且共晶团有少许团聚现象，图中白色卵状区域是α-Al树枝晶的不同截面。当复合变质剂含量增至为0.05%Sr+0.1%Y时(图 2(c)所示)，组织逐渐得到改善，大部分晶粒为条状或椭圆状，晶粒均匀且圆整度较好。当加入0.05%Sr+0.15%Y复合变质后(图 2(d)所示)，α-Al相形状规则、分布均匀且晶界清晰，尺寸变得更加均匀细小，紧密排列在一起，主要为细小致密的等轴晶或椭圆晶，细化效果良好。继续添加Sr-Y含量至0.05%Sr+0.2%Y(图 2(e))和0.05%Sr+0.3%Y(图 2(f))，α-Al相形貌并未进一步改善，反而略有粗化和柱状化的趋势，体现在晶粒圆形度减弱、长宽纵横比提高，同时α-Al形貌多为蔷薇状树枝晶, 且一次晶柱较为粗大。
图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 Sr-Y复合变质Al-7Si合金的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of Al-7Si alloy with Sr-Y compound modification图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 不同变质剂含量下的Al-7Si合金组织形貌Fig.2 Morphology of Al-7Si alloy with different addition amounts of modifier: (a)0.1%Sr+0.0%Y; (b)0.05%Sr+0.05%Y; (c)0.05%Sr+0.1%Y; (d)0.05%Sr+0.15%Y; (e)0.05%Sr+0.2%Y; (f)0.05%Sr+0.3%Y.α-Al晶粒细化原因如下：Sr是表面活性元素，加入熔体中后降低了合金熔体固液界面处的表面张力，使α-Al晶粒结晶时所需的临界晶核半径和临界形核功都减小[13]，从而促进α-Al形核导致合金组织细化，且Sr加入到熔体中后，导致共晶反应的温度下降，不仅扩大了合金凝固温度区间，而且使共晶点位置向更高的Si侧处右移[14]，根据杠杆定理，α-Al晶粒析出数量增加。而复合变质剂加入铝熔体后，由于Y化学性质活泼，少部分在铝熔体中与Al发生共晶反应形成Al3Y相，根据Bramifit二维点阵错配度理论计算得出Al3Y相满足α-Al异质形核核心的二维错配度要求[15-16]，故可作为α-Al异质形核的质点，提高合金凝固时α-Al的形核率，细化晶粒组织；而且由于Sr、Y原子半径较大，Sr和大部分游离态的Y更易聚集在固液界面前沿的液相中，影响溶质再分配，导致固液界面形成成分过冷，使界面前沿的液相产生浓度梯度，α-Al晶粒长大需突破前方过冷度和浓度梯度较大区域[17]，同时Sr、Y的偏聚对晶界也起到钉扎作用而使α-Al晶粒不能继续长大，故添加复合变质剂后合金的α-Al晶粒表现为等轴晶和柱状晶形态，细化效果显著。
2.3 复合变质对共晶Si的影响图 3给出了不同变质剂含量下，Al-7Si合金中共晶Si的组织形貌图。单独添加0.1%Sr变质的Al-7Si合金(图 3(a)所示)，已显现明显的变质效果，共晶Si大部分呈纤维状，但仍存在少量细片状和棒状，且分布相对集中。当添加0.05%Sr+0.05%Y时(图 3(b)所示)，共晶Si有明显的小平面生长特征，形貌主要呈粗大的长片状或块状，边缘带有锋利的尖角，且Si颗粒排布方向杂乱，相互之间无明显的关联，其长径比约为8 ∶1，属于欠变质状态。随着复合变质剂含量的增加，变质效果逐渐增强。当添加0.05%Sr+0.1%Y时(图 3(c)所示)，共晶Si形貌及分布发生变化，Si相由长片状逐渐变成小尺寸的短杆状、纤维状颗粒，其尺寸明显减小，长径比约为4 ∶1，与单独Sr变质效果相当。当添加0.05%Sr+0.15%Y复合变质剂时(图 3(d))，共晶Si形貌进一步改善，大部分Si颗粒呈椭球状，而纤维状和短杆状明显减少，此时Si颗粒形貌最佳且分布相对均匀，其长径比为1.2 ∶1，已经达到完全变质效果。继续添加至0.05%Sr+0.2%Y(图 3(e))和0.05%Sr+0.3%Y(图 3(f))时，共晶Si形貌并未进一步细化，反而略有恶化，部分Si颗粒出现粗化的趋势，出现了少量棒状和纤维状，属于过变质现象。
图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 不同变质剂含量下的共晶Si组织形貌Fig.3 Morphology of eutectic Si with different addition amounts of modifier: (a)0.1%Sr+0.0%Y; (b)0.05%Sr+0.05%Y; (c)0.05%Sr+0.1%Y; (d)0.05%Sr+0.15%Y; (e)0.05%Sr+0.2%Y; (f)0.05%Sr+0.3%Y.Sr-Y复合变质机理分析如下：由于Sr原子和Si原子具有较强的亲和能力，则Sr在共晶Si生长过程中，吸附在共晶Si生长界面上，作为外来质点使得Si原子不能在表面吸附和沉积，封闭和“毒化”了共晶Si的固有生长台阶，降低了共晶Si以台阶生长机制长成片状的速度[18]；同时嵌入Si晶体孪晶凹槽中，诱导Si相产生高密度孪晶和堆垛层错来改变共晶Si的生长方向，促使粗大的共晶Si产生分枝，进而断裂变成更小的短棒状或纤维状。而Y对共晶Si相形核和生长的作用有所不同，Y不是吸附类变质元素，在Si的生长界面上并不主动吸附而是被排斥[19]，本质上是属于一种晶粒生长阻止剂，主要偏聚在固液界面的前沿，不仅改变了共晶Si{111}面原子的堆垛次序，提高了共晶Si在慢生长面{111}上台阶形核的要求，同时抑制Si晶体沿着{111}面择优取向和铺开长大[20-21]，阻碍了共晶Si的自由生长，使共晶Si片厚度的增加受到限制，最终导致共晶Si尺寸和形态的改变，从而达到变质效果。
当Sr和Y元素同时存在时，表面活性更高的Y提高了铝液对Sr原子的润湿性，使得熔体中Sr原子扩散速度加快并与Si晶胚形成络合物，络合物可作为共晶Si的形核基底使晶核数量增加，有利于共晶Si的细化，使共晶Si相转变为短纤维状；而Y被Sr带动偏聚在固液界面前沿，偏聚的Y又提高了Si相形核长大需要克服的难度，即引起固液前沿更大的界面梯度和成分过冷，导致Si原子扩散变得困难，从而降低Si相的生长速率，且共晶Si生长方式由各向异性转变为各向同性，致使共晶Si趋向于均质形核和颗粒化，Si颗粒最终呈现出细小且分布均匀的形貌，故可认为Sr和Y具有协同变质共晶Si的作用。
2.4 Sr-Y含量对合金力学性能和电导率的影响图 4为不同变质剂含量对合金抗拉强度和延伸率的影响对比图。从图中可以看出，单独添加0.1%Sr时，合金抗拉强度和延伸率分别达到269 MPa和8.4%(添加0.5%Y变质时，合金抗拉强度和延伸率分别为278 MPa和8.9%)。当采用Sr-Y复合变质剂变质时，合金抗拉强度和延伸率随着Sr-Y含量的增加显现先升高后降低的趋势。结合显微组织变化分析可知，添加适量Sr-Y复合变质剂时，能够细化α-Al枝晶和共晶Si组织，使晶粒平均尺寸都减小，则合金单位面积内晶粒、晶界和位错数量增多，应力集中现象得到缓和，强度和延伸率得到大大提升。当Sr-Y含量为0.05%Sr+0.15%Y时，组织中α-Al枝晶和共晶Si颗粒形态和数量俱佳，合金处于完全变质状态，此时抗拉强度和延伸率分别达到最大值296 MPa和10.2%，比单独Sr变质的抗拉强度和延伸率提高10%和21%。随着Sr-Y含量进一步增多，α-Al形态变为柱状晶，Si颗粒有所粗化，故合金抗拉强度和延伸率开始下降。
图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 不同变质剂含量的合金力学性能Fig.4 Mechanical properties of alloys with different addition amounts of modifier合金力学性能改善可归功于复合变质剂对合金的细晶强化作用。当Sr-Y复合变质剂加入合金后，有利于α-Al枝晶缩颈、熔断、游离和增殖，α-Al晶粒得到细化，枝晶数量增加，则单位面积内晶界面积增加。根据Hall--Petch公式，晶界是位错运动的阻碍，晶粒越细，晶界越多越曲折，位错运动的阻力就越大，则合金的强度和塑性就越高。复合变质后的Si颗粒形貌由粗大的纤维状和针片状向颗粒转变，可起到钉扎位错、阻碍晶界迁移的作用，受力时降低了对合金基体的割裂，也减少了由于应力集中产生断裂的机会，在断裂之前可承受较大的变形量，因此合金强度提高。同时复合变质时，Y能减少Al2O3等非金属夹杂物含量，降低其对力学性能的有害作用；Y还具有除气降氢作用，能降低合金疏松率和气孔率，提高合金的致密度，从而提高合金的强度和延伸率。
一般情况下合金的导热性、散热性与导电性正相关，故测量导电率也能侧面反映合金的导热和散热性能[22]。Al-Si合金中Al为导体、Si为半导体，电子传输过程中电子流会选择性通过或完全避开Si颗粒绕行，因此合金的电导率主要取决于共晶Si的形貌和尺寸等结构特征。同时合金的晶体结构越完整，组织缺陷越少，合金导电性也越好。
图 5为不同Sr-Y含量下合金的导电率。可以看出，导电率与合金力学性能变化规律一致，都是随着Sr-Y含量增加呈现先上升后下降的趋势。添加少量复合变质剂时，合金α-Al枝晶相对发达，共晶Si呈片状和纤维状，对电子传输阻碍作用较大，电子流散射作用明显，且共晶Si相互连接在一起，类似于电阻“串联”，使得电子传输通道减少，电子流通过明显减小，故合金导电率较低。随着Sr-Y复合变质剂含量增加，共晶Si形貌棒状化和球化，颗粒间相互“并联”，球化后的共晶Si对电子流散射作用减小，从而降低电子通过晶界的阻力，故合金导电率升高。当复合变质剂含量为0.05%Sr+0.15%Y时，共晶Si处于完全变质状态，粒化程度较高，颗粒之间间隙增大且相对分散，电子流可畅通无阻，故电导率达到最高值41.7% IACS，同时复合变质能够减少合金的气孔和夹渣缺陷，亦有益于合金导电率的提升。但Sr-Y复合变质剂过量时会优先聚集于晶界，与铝基体形成有害的富稀土金属间化合物，增加了电子流通过的难度，导致合金导电能力减弱，铸件的散热性能降低。故Sr-Y复合变质Al-7Si合金最佳添加量为0.05%Sr+0.15%Y，与添加单独Sr、Y相比，不仅减少了Sr和稀土Y的使用量，节约了企业生产成本，而且能够降低合金熔体含氢量，同时获得了力学性能更高的合金铸件。
图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 不同变质剂含量下的合金导电率Fig.5 Conductivity with different addition amounts of modifier2.5 合金拉伸断口形貌图 6为单独Sr变质和Sr-Y复合变质的合金拉伸断口形貌。从图 6(a)可以看出，单独Sr变质的拉伸断口存在少数卵型韧窝，呈不规则形状，韧窝很浅且直径较大，断口上存在较多撕裂棱和起伏台阶，微观上属于解理断裂。同时Sr的吸氢效应使得合金熔体的枝晶间填充能力降低，导致断口表面可明显观察到铸造疏松、微观孔洞等缺陷，且放大后的断口形貌(图 6(b))还可以观察到微裂纹，微裂纹存在于Si相内部或Si相与基体界面处。在外加载荷的作用下，微裂纹加速Si颗粒与α-Al基体脱离，且微裂纹数量越多越容易扩展和聚合，最终导致晶界脆化使材料断裂，降低合金的强度和塑性。
图 Figure6(Fig.Figure6)
图 6 不同变质剂下的Al-7Si合金断口形貌Fig.6 Fracture surface morpholoies of the Al-7Si alloy with different modifierSr-Y复合变质处理后(图 6(c))的断口表面平整无起伏，断裂带上呈现大量细小密集的韧窝，其形状规则、分布均匀，是典型的韧性断裂。加入复合变质剂后，由于固液两相区变窄、粘度降低，使得熔体流动性提高，合金的补缩能力增强[23]，降低了气孔、疏松出现的概率。同时由于共晶Si尺寸的细化和边角的钝化，提高了微裂纹萌生和扩展的阻力，故放大后的断口形貌(图 6(d))未发现微裂纹，但可观察到Si颗粒在拉伸过程中拔出留下的韧窝坑，韧窝坑包裹Si颗粒牢固镶嵌在基体上，可阻止Si颗粒脱离基体，使Si颗粒与基体界面结合度增加，从而有利于载荷的传递，表现为合金强度和延伸率的提升。
3 结论1) 采用复合Sr-Y复合变质剂后，Al-7Si合金熔体中的含氢量明显降低，且随着Sr-Y含量的增加，熔体含氢量呈线性下降趋势，但当含量超过一定范围时，熔体含氢量下降幅度逐渐减小，最终趋于平缓。
2) Sr-Y复合变质对Al-7Si合金α-Al相具有良好的细化和球化效果。当复合变质含量为0.05%Sr+0.15%Y时，α-Al枝晶高度细化为致密的等轴晶或椭圆晶，其形态分布均匀、形状规则且晶界清晰，晶粒尺寸更加细小。
3) Sr-Y复合变质Al-7Si合金共晶Si时，二者可起到协同变质共晶Si的作用。相比单独使用Sr时，当复合变质剂含量为0.05%Sr+0.15%Y时，共晶Si相高度球化，形貌从板片状和纤维状转变为颗粒状，其形态圆润而细小，圆形度最优且分布更加均匀，达到完全变质效果。
4) 添加适量的Sr-Y复合变质剂可提高Al-7Si合金的力学性能和导电率，当含量为0.05%Sr+0.15%Y时，T6热处理后的合金抗拉强度、延伸率和导电率达到了296 MPa、10.2%和41.7% IACS，比单独Sr变质分别提高了10%、21%和7%。拉伸断口表面平整无起伏，断裂带上呈现大量细小密集的韧窝，其形状规则、分布均匀，属于典型的韧性断裂。参考文献：
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