开发低密度高强度的新材料已成为高新技术发展的重要研究方向之一[1-3]。铝镁合金是一种应用广泛的铝合金，具有低密度、优良的抗海水腐蚀性、较好的散热性和焊接性等特点，广泛应用于航空航天、舰艇船舶和军用车辆等领域[4-5]。但是目前，我国在海洋等领域应用的铝镁合金板材、型材主要依靠进口，舰艇等其他领域主要依赖于美国和俄罗斯。我国船舶用铝合金的开发种类偏少，合金综合性能、质量稳定性低于国外同牌号板材，因此，研究和开发铝镁合金具有重要意义。铝镁合金种类繁多，常见的铝镁合金牌号包括5A05、5005 和ZL302 等。其中，5A05 铝合金通常应用于要求塑性、耐蚀性能好的焊接管道、焊制油箱和其他液体容器[6]；5005 铝合金主要应用于建筑内装和车辆内装等领域[7]；ZL302 铝合金则主要应用于海洋船舰的各种构件、汽车轮毂和发动机机匣等。近年来，李姗珊等[8]通过向铝镁合金中添加Zn 和Ag 元素不仅使铝合金的力学性能得到提升，还同时提高了铝合金的抗晶间腐蚀能力；谢屹等[9]通过添加Be 等元素并配合合适的退火工艺，制备了具有良好力学性能和导电性的铝镁合金。刘政军等[10]通过向铝镁合金中添加Ce 元素不仅细化了铝镁合金的晶粒，还同时改变了合金中析出相的类型，提高了室温抗拉强度和屈服强度。
铝合金常用的强化方式主要包括固溶强化、形变强化、第二相强化和细晶强化[11]，其中细晶强化在提高材料强度的同时还能提升塑韧性[12]。铸态铝合金通常是在熔体中添加晶粒细化剂来实现晶粒细化，工业常用的晶粒细化剂为Al-5Ti-1B 中间合金[13]。然而，Al-5Ti-1B 中间合金中的TiB2 粒子容易在铝熔体中聚集[14]，使得其晶粒细化效果受到限制，且其在部分铝合金中会出现“细化中毒”现象，如7050铝合金[15-16]。针对此行业难题，本课题组前期开展了大量研究，研制了一种Al-TCB 晶种合金，在Al-Si合金的晶粒细化、微观组织和力学性能调控领域取得了良好效果[17]。
基于以上背景，本文以铸造铝合金ZL302 为研究对象，分析了Al-TCB 晶种合金对其微观组织和力学性能的影响。
1 材料与方法
本文试验用原材料包括工业纯铝(99.7%)、工业纯硅(99.9%)、工业纯锰(99.9%)、Al-50Mg 中间合金和Al-TCB 晶种合金，以上原料均由山东迈奥晶新材料有限公司提供。
首先，将工业纯铝放置于井式电阻炉中，待其熔化后依次加入工业纯硅、工业纯锰和Al-50Mg(质量分数，%)中间合金，控制熔体温度为760 ℃并保证原料熔化，获得的ZL320 熔体名义成分为Al-5Mg-1Si-0.2Mn(质量分数，%)。随后，向熔体中加入占炉料总质量0.6%的C2Cl6 进行除气精炼。清理浮渣后，分别加入质量分数为0.2%、0.5%、1%、2%、3%、5%的Al-TCB 晶种合金，保温不同时间后浇注到KBI环形模具(图1(a))，KBI 模具的预热温度为300 ℃。作为对照，以相同工艺制备了经系列添加量Al-5Ti-1B(下文简称AlTiB)中间合金细化的ZL302 合金。为观察晶粒大小，试样经镶嵌抛光后利用王水进行表面腐蚀，使用型号为Leica DM2700M 的光学显微镜进行微观组织观察，并采用截线法测量晶粒尺寸。为分析试验合金的微观组织，采用了场发射扫描电镜(SEM, hitachi SU-70)和透射电镜(TEM,titan themis G2 60-300)进行表征分析。
图1 KBI 环模及室温拉伸试棒示意图：(a)KBI 环模，(b)标准室温拉伸试棒
Fig.1 Schematic diagram of the KBI mold and room temperature tensile test bar:(a)KBI mold,(b)standard tensile test bar for room temperature testing
为测试典型试棒的力学性能，将熔体浇铸到特定铸铁模具中[18]，并根据GB/T 228—2010 要求将铸态毛坯件加工成如图1(b)所示的狗骨状抗拉试棒。对上述试棒在CMT700 型万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为2 mm/min，每个试样至少测试3 组，取平均值作为样品的试验数值。
2 实验结果与分析
2.1 Al-TCB 晶种合金微观组织
Al-TCB 晶种合金的微观组织如图2 所示，可以看出，晶种合金中的粒子弥散分布在铝基体上(图2(a))。对粒子进行面扫描分析，其主要由Ti、C 和B 3种元素组成。参考本课题组前期相关研究工作[19-20]可知，Al-TCB 晶种合金中主要以B 掺杂的TiCx 粒子为主，同时包含少量TiB2 粒子，这种掺杂型的TiCx粒子在铝熔体中具有更高的结构稳定性。由于此两类粒子难以分辨开，其统一命名为TCB 粒子。
图2 Al-TCB 晶种合金：(a)SEM 微观组织，(b)面扫描分析
Fig.2 Al-TCB seed alloy:(a)SEM image,(b)map scanning analysis
2.2 Al-TCB 晶种合金对ZL302 铝合金微观组织的影响
图3 为ZL302 合金及分别添加AlTiB 中间合金和Al-TCB 晶种合金后保温60 min 的宏观晶粒图片。如图3(a)所示，未添加细化剂时，合金晶粒尺寸为毫米级，经0.2%AlTiB 中间合金与0.2%Al-TCB晶种合金细化后，晶粒尺寸明显下降，如图3(b~c)所示。同时，与AlTiB 中间合金相比，经Al-TCB 晶种合金细化后的ZL302 合金，其晶粒尺寸更小。
图3 宏观铸锭晶粒形貌：(a)ZL302，(b)ZL302+0.2%AlTiB(质量分数)，(c)ZL302+0.2%Al-TCB(质量分数)
Fig.3 Optical images of etched alloys:(a)ZL302,(b)ZL302+0.2%AlTiB(mass fraction),(c)ZL302+0.2%Al-TCB(mass fraction)
基于上述晶粒观察与统计方法，得到不同添加量AlTiB 中间合金与Al-TCB 晶种合金对ZL302合金细化保温5、15、30 和60 min 后的平均晶粒尺寸，如图4 所示。从图中可以看出，在60 min 内，Al-TCB 晶种合金与AlTiB 中间合金对ZL302 的细化效果均未表现有显著的衰退现象，这表明了Al-TCB 晶种合金良好的细化稳定性。此外，随着AlTiB 中间合金和Al-TCB 晶种合金添加量增加，ZL302 晶粒尺寸逐渐变小，当AlTiB 中间合金与Al-TCB 晶种合金添加量均为2%时，ZL302 合金达到最佳细化效果，晶粒尺寸分别为78.0 μm 和67.5 μm。继续增加添加量到5%，ZL302 合金的晶粒尺寸则表现出一定的粗化现象。图5 所示为系列细化后ZL302 合金保温60 min 的典型金相图片，其清晰表明了晶粒特征，即大多呈现等轴晶形态。与AlTiB 中间合金相比，在ZL302 中添加较少Al-TCB晶种合金时，Al-TCB 晶种合金细化效果明显。随着添加量的增多，两者的细化差距逐渐变小。因此，晶种合金添加量较少时，Al-TCB 晶种合金具有较好的细化效果。
图4 ZL302 经不同添加量的合金细化后晶粒尺寸随保温时间变化曲线：(a)添加AlTiB 中间合金，(b)添加Al-TCB 晶种合金
Fig.4 The grain size of ZL302 refined with different addition amounts of alloy changed with holding time:(a)adding AlTiB intermediate alloy,(b)adding Al-TCB seed alloy
图5 细化后ZL302 铝合金保温60 min 的平均晶粒尺寸图
Fig.5 Average grain size of the ZL302 alloy after grain refinement with a holding time of 60 min
图6所示为ZL302 合金添加1%Al-TCB 晶种合金后保温60 min 的SEM 及TEM 分析结果。根据图6(a~b)可知，TCB 粒子除对α-Al 发挥异质形核作用外，部分粒子分布在晶界处，并与晶界处的金属间化合物耦合在一起(图6(c~d))。根据图6(e)所示的面扫描分析结果可知，该合金中形成的金属间化合物主要为Mg2Si 相。
图6 添加了1%Al-TCB(质量分数)晶种合金的ZL302 合金：(a~b)SEM 微观组织，(c)明场像，(d)高角环形暗场像，(e)EDS 能谱图
Fig.6 ZL302 alloy with the addition of 1%Al-TCB(mass fraction)seed alloy:(a~b)SEM images,(c)brigh tfield image,(d)HAADF image,(e)EDS analysis
2.3 Al-TCB 晶种合金对ZL302 力学性能的影响
图7(a)所示为铸态ZL302 合金及添加1%Al-TCB晶种合金后铸态ZL302 合金典型的拉伸曲线，图7(b)则为相应统计数据的柱状图。从图可以看出，铸态ZL302 合金的平均抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(EL)分别为208.8 MPa、123 MPa 和5.8%；经1%Al-TCB 晶种合金处理后，合金的UTS、YS 和EL分别提升至218.8 MPa、126.0 MPa 和9.7%。其中，伸长率大幅改善，提升了67.2%。因此，在ZL302 添加1%Al-TCB 晶种合金后不仅能够保证强度基本不变，还能显著提高样品塑韧性。
图7 ZL302 合金与ZL302+1%Al-TCB(质量分数)合金：(a)拉伸曲线，(b)平均力学性能柱状图
Fig.7 ZL302 and ZL302+1%Al-TCB(mass fraction)alloys:(a)tensile curves,(b)average tensile properties
图8 所示为上述两种合金的室温拉伸断口组织，可以看出，铸态ZL302 合金未添加Al-TCB 晶种合金的试样断口处主要以解理面为主，树枝晶之间存在明显空隙，合金组织不致密存在缺陷，承受载荷容易断裂，而经加入1%Al-TCB 晶种合金处理后，断口处出现大量韧窝，表明了塑性断裂机制的存在。因此，Al-TCB 晶种合金在改善ZL302 合金组织性能方面表现出一定的优势。
图8 合金拉伸断口组织：(a~b)ZL302,(c~d)ZL302+1%Al-TCB(质量分数)
Fig.8 Tensile fracture structure of alloy:(a~b)ZL302,(c~d)ZL302+1%Al-TCB(mass fraction)
3 结论
(1)相比Al-5Ti-1B 中间合金，Al-TCB 晶种合金对ZL302 具有更好的晶粒细化效果。当Al-TCB 晶种合金添加量为2%时，铸态ZL302 合金的平均晶粒尺寸可细化至67.6 μm。
(2)Al-TCB 晶种合金对ZL302 晶粒细化效果具有良好的稳定性，随着保温时间的增加，60 min 内无明显细化衰退现象。
(3)添加1%Al-TCB 晶种合金后，ZL302 的抗拉强度由208.8 MPa 增加至218.8 MPa，伸长率由5.8%增加至9.7%。
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