合金热裂性能的影响陶承闯，黄宏军，袁晓光，左晓姣(沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870)摘要：Al-Cu合金结晶范围宽，树枝晶发达，热裂倾向严重。通过添加不同含量的V元素，硏
究TAl-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-.rV (x=0^ 0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 )合金热裂倾向及组织特 征。结果显示，未添加V元素时，合金晶粒形态主要是粗大树枝晶；随着V元素加入，合金的
晶粒逐渐变得细小；当V元素添加量为0.2%时，合金组织变得均匀，晶粒呈近等轴晶形态； 继续添加V元素合金组织出现粗化现象。对于AI-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-.rV合金，其热裂敏感系 数HSC与合金晶粒尺寸变化规律一致。未添加V元素时，晶间低熔点相数量少，不能形成足
够多的液膜，合金的热裂倾向最高，热裂敏感系数为1.64；当V元素加入量为0.2%时，合金 晶粒间的低熔点相明显增多，在晶间形成大量液膜，合金的热裂倾向最低，热裂敏感系数为 1.05o对于Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-.vV合金的热裂抗性，最优的V元素加入量为0.2%。添加V元
素对合金的影响主要有两方面：一是细化晶粒；二是促进晶间低熔点相形成，形成液膜，提
高合金抗热裂性。关键词：Al-Cu-Mg系合金；热裂敏感系数；V元素；微观组织Al・Cu系合金强度高、韧性好，抗疲劳性能、加工性能以及焊接性能优良，在汽
车领域、轨道运输及兵器工业等领域具有广泛的应用W 但Al-Cu系合金的抗热裂性 能差，其应用在一定程度上受到限制，主要是因为Al-Cu合金结晶范围竟、树枝晶发
作者简介：陶承闯(1994-),男，满族， 硕士研究生，主要研究方 向为铸造合金及新材料。E-mail： 15840011506@ 126. com达、呈糊状凝固的特征，使其热裂倾向严重「T。刘友良内等研究发现，在Al-Cu合金 中加入V, V与A1形成A1“V相；随着V含量的增加，合金的枝晶偏析加重。武荣召冋
等人的研究表明，随着V加入量的增加，铸造Al-Zn-Mg-Cu合金的二次枝晶间距呈先 减小后增大的趋势。V的加入可增加合金的共晶相数量，V和A1主要形成A1“V相，分
布于a (Al)晶内；加入过量V时，合金a (Al)基体中出现不规则块状A1“V相。 赵志升E等人研究了在6008合金中加入V,发现当V含量大于0.1 %时，形成VAg相，
通讯作者：黄宏军，男，教授，博 士，博士生导师。电话：
024-25496300, E-mail： huanghong 1977(« 163.com在细化铸锭晶粒的同时，还可提高再结晶温度，抑制再结晶过程，使合金再结晶组 织细化且分布均匀。孟凡生旳等研究了在重力铸造中随着V元素含量的增加，铸态AI-
5.0Cu-0.4Mn合金中的抗拉强度和屈服强度曲线呈现抛物线状变化趋势。四川大学刘
颖等冋研究开发了多种含筑细化剂，并已申请专利，充分表明帆对铝合金具有良好的
中图分类号：TG 146.2 1文献标识码：A
文章编号：1001-4977(2020)02-0127-08细化作用。宋鸿武问研究显示，加入适量V能够明显提高Al-Cu合金的流动性，有助
于降低合金的热裂倾向性；加入0.15%V的合金流动性比未添加V的合金流动性提高 30%,但继续加入V,合金流动性开始降低。上述研究工作虽然明确了V元素对合金组织的作用规律，但对合金热裂影响及机
基金项目：国家自然科学基金 (51875365 )。收稿日期：2019-09-03收到初稿，2019-11-19收到修订稿。制尚不明确。为此，本试验系统研究了v元素加入量对Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr合金热
裂倾向的影响，并确定了合适的V元素加入量。1试验材料及过程在合金熔炼过程中先向t甘塢中加入纯Al和Al-5Zr、Al-50Cu、A1-5V中间合金，FOUNDRM试验研究Vol.69 No.2 2020再加入工业纯镁，待合金完全熔化后，加入覆盖剂。 向；Dg为合金浇注试棒在模具临界断裂的直径，试棒 固定端的直径为25 mm。试样经磨抛后，使用Dix-Kener试剂
(l%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H,0 )进行腐蚀。在精炼、除气后，将730 t的合金液浇入已预热300 T
的热裂金属型模具中。合金的设计成分和实际成分如 表1所示。本试验采用临界尺寸法和热裂敏感系数(HSC ) 来表征合金的热裂倾向，这一方法操作简便，并且可
利用蔡司显微镜观察合金显微组织并使用Micro-image Analysis & Process软件多次测量合金晶粒的平均尺寸
以比较直观地观测到热裂纹并通过定量计算反映合金 的热裂倾向。图1为热裂金属模剖面图。(检验标准GB3216—2000),得到添加不同含量的V 元素对合金晶粒尺寸的影响；在日立S-3400N型扫描电
合金热裂敏感系数使用下面公式°\"计算：镜(SEM )和JEM-2100型透射电子显微镜上进行组织 及形貌观察和能谱分析；在岛津7000型X射线衍射仪上 进行物相分析；在EPMA-1720型电子探针上进行面扫
式中：HSC为热敏感系数，用来表示合金的热裂倾 描分析。试样取样位置如图2所示。表1合金的化学成分Table 1 Chemical composition of alloy
序号r/%实际测量成分Zr0.159设计成分Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15ZrAl-4.4Cu-1.5Mg-0」5Zr-0.05VAl-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.IVAl-4.4Cu- 1.5Mg-0.15Zr-0」5VAI-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.2VCu4.294.364.46Mg2」52.061.75V00.048Al余量余量2°3#4”0.1620.1440.1120.1530.1980.251余量余量余量余量4.514.284.421.811.780.1715#6#0.172Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.25V1.660.161图1等长度金属模具剖面图Fig. 1 Sectional view of equal length metal mold2试验结果及分析2.1 V元素对微观组织的影响Al-4.4Cu-1,5Mg-0.15Zr-xV (x=0〜0.25 )合金在
铸态下的金相组织如图3所示。当未添加V元素时，
晶粒主要为粗大的树枝晶，见图3a；当添加V元素为 0.()5% ~ 0.10%时，合金晶粒尺寸逐渐变小，且合金组
织发生了枝晶熔断，其组织见图3b、c；当V元素含量
达到0.15% -0.20%时，合金晶粒的组织形态由树枝晶 向等轴晶转变，见图3d、e。继续添加V元素达到0.25% 时，合金组织有粗化现象，见图3f。图2取样位置示意图Fig. 2 Schematic diagram of sampling position2020年第2期/第69卷试验研究 FOUNDRY(d ) V添加最0.15% ( e ) V添加最0.2% ( f) V添加最0.25%图3 Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Z“V合金金相组织Fig. 3 Metallographic structure of Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-vV alloy图4为随V元素的加入合金晶粒尺寸的变化。根 据包晶理论2\"和A1-V二元合金相图，A1,,V相与铝
以观察到，Cu元素主要偏聚于晶界处。图5d为Mg元素
的分布，从图中可以看出，Mg元素大部分在晶界处聚 集，也有少量分布在晶内。由此可以得出，在晶界主 要存在Mg元素、Cu元素以及少量V元素。图 6 为合金 AI-4.4Cu-l ,5Mg-0.15Zr-0.25V 在扫描电
熔体发生包晶反应生成的a (Al )为合金结晶提供
晶核，增加单位体积液相中晶核数量，提高了形核 率，单位体积中晶核数量增多，细化了枝晶。由于
V元素的加入，在合金中形成了A1“V相阀，该相的晶
镜下的晶界处第二相组织与能谱分析。点1是对裂纹 处出现的白亮相进行的能谱分析，可以看出，此处有
A1、V、Mg、Cu元素，分析可能是Al、V组成的化合
格类型为Fd-3m ( Cell,、mv= 14.568 X 14.568 x 14.568, <90 x 90 x 90> )与 a ( Al )相晶格类型Fm-3m
(CellA1=4.049 x 4.049 x 4.049, <90 x 90 x 90> )为同一
物与Al、Mg、Cu组成的化合物叠加而成。点2为合金 晶界处大部分网格状分布的析出相，经过能谱分析，
晶系，能够满足点阵匹配原则，在一定程度上能够作 为稳定的非均匀形核核心，起到细化晶粒作用。V元素 添加过量时，导致A1“V相形成数量增多，易发生集聚 削弱结晶核心的作用。Cu和Mg两元素在A1“V相(图
5)的固溶，促进了A1“V相的长大，从而增加了A1”V
这些网格状第二相大部分为由Al、Cu、Mg元素组成。相的析出量，减少了异质形核核心；形核功降低，晶 粒生长速率大幅增加，从而促进晶粒粗化，见图3f。从图3和图4可以得出，Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr合金 添加V为0.2%时，晶粒细化效果最好。2.2 V元素对合金析出相的影响图5为AI-4.4Cu-l ,5Mg-0.15Zr-0.2V合金的电子探针 微区面扫描分析。在图5b中可以看到，V元素主要分布 在晶内，V元素在A1中溶解度较大，但也存在少量V元
素在晶界处偏析。由于Al-Cu系合金为固溶体型合金，
图4 AI-4.4Cu-1.5Mg-0.l 5Zr-*V合金的晶粒尺寸Fig. 4 Grain sizes ofA1-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-vV alloy常温下Cu元素在A1中的溶解度较小，所以在图5c也可
FOUNDRY 试验研究Vol.69 No.2 2020对Al-4.4Cu-1,5Mg-0.15Zr-i V ( x=0〜0.25 )合金进 图 7b 为 Al-4.4Cu- 1.5Mg-0.15Zr-0.2V 和 Al-4.4Cu-1,5Mg- 0.15Zr的对比，由图可以看出，在V元素添加量为0.2%
行X射线衍射分析，扫描速率为8。/min,测试结果如 图7所示。通过分析添加不同含量V元素的XRD曲线，
时已经形成了A1“V相。结合能谱分析可以得出，形成 的白亮相为A1“V相(见图6点1处)与文献［6］研究的结 果一致。发现合金主要存在Al、Al：CuMg和Al：Cu相。随着V元 素的添加，ALCuMg强化相和Al^Cu相无明显变化。
(a )面扫描位置(b ) V元素分布(c ) Cu元素分布图5 Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr-0.2V合金中V、Cu、Mg元素分布Fig. 5 Distribution of elements V, Cu, Mg in Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-0.2V alloy544436ono326217108ElementMgKAIKVKCuKwt%02.573&4542.4916.89At%04.0354.3431.5010.1301Al23 45 6 789 Al%13.6059.9226.4810544436326Q点2ElementMgKAIKCuKwt%09.1144.5446.352171080'Cu- ACu123 45 6 789 10图 6 Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.25V合金能谱分析Fig. 6 Energy spectra analysis of AI-4.4Cu-l ,5Mg-0.15Zr-0.25V alloyX-ray tube_target:Cuvoltage:40.0 ( mA ) _current:30.0 ( mA )
scan speed:&(|00和(deg/min ) |x=0.2%ALCu 1 II 1 1 II 1i ii ii 1 Hill-ALCuMgl 1Hilllllllll lllllllll 1 lllllllllllllII III II 1HillA1hV 11 111 1人
1A人1 II 1Al,Cu -1-ALCuMg 1Hill020
尸0%i g ii 1 IIII 1II II II 1iiiiiii iiiiiiiiii iiiiiiiiiiiii30 40
50 60 70 20/ (° )80 90 100(a ) Al-4.4Cu-I.5Mg-0.15Zr-.rV合金(b ) Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.2V 合金图 7 Al-4.4Cu- 1.5Mg-0.15Zr-.rV合金和Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-0.2V合金的XRD分析Fig. 7 XRD patterns of AI-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-vV (“=0-0.25 ) and Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-0.2V alloys2020年第2期/第69卷试验研究foundry图8是Al-4.4Cu-l ,5Mg-0.15Zr-0.2V合金不同位置
2.3 V元素对合金热裂性的影响图9为不同V元素加入量对合金宏观裂纹影响，表 2为不同成分合金热裂试棒的裂纹数目。未添加V元素
的透射电镜组织。可以看出，在晶内分布的一些针 状、棒状的析出相为AJCuMg相冋和块状A1“V相（图 8a、b）。从图8c中可以看出在晶界附近存在大部分
时，产生热裂纹的试棒数量为8根，热裂临界尺寸直径 为20 mm；随着V元素的加入，裂纹数量逐渐减少；当AkCuMg相。(a )显微组织A ( b )显微组织B ( c )晶界处组织图8 AI-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr-0.2V合金透射电镜显微组织和晶界处组织Fig. 8 TEM microstructure ( a, b ) of Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.2V alloy and its stnicture ( c ) at grain boundary图9 AI-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-.vV合金的宏观裂纹图片Fig. 9 Macro cracks of Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-rV alloysniigiaFOUNDRY 试验研究Vol.69 No.2 2020添加V元素含量为0.2%时，合金热裂倾向最小，产生裂 纹的试棒临界直径减小到8 mm,而且裂纹宽度变窄。
液膜会沿着补缩通道对热裂纹进行补缩，减小合金的 热裂倾向。从图12b可以看出大部分区域的低熔点相已
当其含量达到0.25%时，试棒的裂纹增多，开裂程度增 大，临界直径尺寸达到10 mmo在研究V元素对合金的热裂倾向影响的试验中，探
形成连续的网状，热裂仅发生在缺乏低熔点相的晶界
处。由于液膜补缩作用使热裂纹不能在晶界处连续扩 展，减小合金的热裂倾向。随着V加入量的增加，合金
究了热裂纹经常产生的位置。热裂纹经常出现在图1中 中第二相数量增加® 8 231 o当合金中低熔点共晶相数量 增多，晶间液膜的数量较多，补缩能力强，能够有效
相等长度金属型模具中粗细型腔汇合处，也就是在铸 件的热节处经常出现热裂纹。主要是因为在合金凝固
补偿晶间分离及愈合已产生热裂纹，大量液膜的存在 能够降低合金的热裂倾向性。表2不同成分热裂试棒的裂纹数目后期，型腔中的金属液的温度急速降低，合金溶液的
流动性降低，造成金属液对合金热节处生成的裂纹的 补缩效果不理想。试验采用热裂敏感系数HSC来表示 Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-xV合金的热裂倾向，如图10所
Table 2 Number of cracks in hot tearing test bars热裂试棒口壶示。合金的热裂敏感系数随V元素增加先减小后增大。 在未添加V元素时，HSC为1.64,当添加V元素为0.2%
172345678Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr
时，HSC减小为1.10,此时合金的热裂抗性达到最佳。Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-O.O5V -图11为Al-4.4Cu-1,5Mg-0.15Zr合金未添加V元素的 热裂纹形貌。从图11 a可以看出，未添加V元素时，晶 间缺少低熔点液相，既不能对收缩进行补缩，也不能
AI-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-0.1 V .Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr-0.15V -Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-0.2V
777V-777--VV---V----■-形成足够多的晶间液膜，只有少量的液相起到晶间搭 桥作用l，5-171o合金在准固相区晶间分离的过程中，在没
AI-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.25V -1.71.6(US1.5H)
镒喺鹫藩帚莖
-VVV7-VVVVV77VV7VVV77有液相补缩作用的情况下，仅靠少量枝晶搭桥的结合 力不足以抵消凝固末期的晶间分离应力，使合金的热
裂倾向十分严重，裂纹体积较大。图lib中黑色箭头处
为沿晶界扩展的热裂纹，白色箭头处为枝晶间的搭桥
1.41.3作用。可以看出，热裂基本是在尺寸较大晶粒的晶界 处产生，见图lib黑色箭头所指，这些区域由于晶粒尺
寸较大，收缩严重，再加上晶间低熔点相数量少，导 致热裂倾向严重。1.21.1图 12 为 Al-4.4Cu-1,5Mg-0.15Zr-0.2 V 合金的热裂纹 形貌。可以看出，当合金中加入0.2%的V元素后，合
0
0.05
0」0 0.15V添加量/%0.20 0.25金晶粒间的低熔点相明显增多，在晶间形成大量液膜
见图12a。由液膜理论\"4分析可知，合金在凝固后期
图10 Al-4.4Cu-l ,5Mg-0.l 5Zr-xV合金的热裂敏感系数
Fig. 10 Hot tearing sensitivity coeflicients of
时，当液膜数量足够多且补缩通道没被堵塞情况下，AI-4.4Cu-1.5Mg-0」5Zr-.vVS3400 20 OkV 11 9mmx1 OOkSE50.OumS3400 20.OkV 119mm x800 SE50 Oum(a )热裂纹形貌(b )显微组织图11 AI-4.4CuJ.5Mg-0.l5Zr合金的热裂纹形貌和显微组织Fig. I \\ Hol tearing morphology and microstnicture of Al-4.4Cu-l.5Mg-0.l5Zr alloy2020年第2期/第69卷试验研究FOUNDRY猜诰■穿33图 13为合金Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.25 V 的热裂断 增加，不仅在晶界内生成了A1“V,过量的V元素还会
口形貌。由图13a可以看出，随着V元素的继续添加， 富集在晶界处与A1形成A1“V相，其偏聚在晶界处，会 堵塞液膜的补缩通道，使液膜不能对热裂纹位置进行
部分晶粒表面已被液膜覆盖，但断裂的液膜呈现脆断
特征，加大了合金的热裂倾向。图13b中黑色箭头所指 的为晶界处偏聚的A1“V脆性相，除此之外，还可以看 到热裂纹周围有许多颗粒状析出物。因为随着V元素的
补缩；同时，A1“V相本身为脆性相，当其聚集到一定
程度后可能会发生开裂现象O(a )热裂纹形貌 (b)显微组织图12 Al-4.4Cu-l.5Mg-0.l 5Zr-0.2V合金的热裂纹形貌和显微组织Fig. 12 Hot tearing morphology and microstructure of Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.2V alloy(a )热裂纹形貌(b )显微组织图13 Al-4.4Cu-1.5Mg-0.l 5Zr-0.25V合金的热裂纹形貌与显微组织Fig. 13 Hot tearing morphology and microstructure of Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.25 V alloy3结论(1 )随着V元素添加量的增加，AI-4.4Cu-l.5Mg-
促进共晶相形成，使晶间液膜的数量增多，增强合金
的补缩能力，能够有效补偿晶间分离及愈合已产生的 热裂纹。(3)随着V元素的增加，合金抗热裂性呈先增加后
0.15Zr合金晶粒尺寸逐渐减小；当添加量达到0.2%时，
晶粒趋于均匀化，且晶粒达到最细，此时合金的抗热
裂性最好；随后继续添加V元素，晶粒出现粗化趋势，
减小的趋势；当V元素添加量为0.2%时合金抗热裂性最 好，此时合金的热裂敏感系数为1.102；继续添加V元素，
合金抗热裂性下降。(2 ) Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr合金中加入V元素，
合金晶界处析出Al“V硬脆相，增大合金热裂倾向。参考文献：[1] 钟奇.施毅.刘博.铝合金在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业.2015 (2) ： 23-27.[2] 刘静安.铝合金材料的应用与技术开发[M].北京：冶金工业岀版社.2004： 1-7.[3] AIGBODION V S. HASSAN S B. Experimental correlations between wear rate and wear parameter of Al-Cu-Mg bagasse ash particulate
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Sundry alloy in as-cast and T6 heat treated conditions [J]. Materials Science and Engineering： A. 2014, 610： 414-426.Effect ofV Element on Hot Tearing Properties of Al-4.4Cu- 1.5Mg-0.15Zr AlloyTAO Cheng-chuang, HUANG Hong-jun, YUAN Xiao-gumng, ZUO Xiao-jiao(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 100870, Liaoning, China)Abstract:Al-Cu alloy is very susceptible to hot tearing due to its wide crystallization temperature range and developed dendrites. In this work, an attempt has been made to investigate the effects of V element on the hot tearing tendency and microstructure of Al-4.4Cu-l .5Mg-0.15Zr-.vV (.v=0, ().05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25) alloy. The results show that Al-4.4Cu-l.5Mg-0.15Zr alloy with no V addition has coarse dendrites in the microstructure; with increasing V element, the crystal grains of the alloy gradually become fine; when the addition amount of V element is 0.2%, the microstructure is uniform and the crystal grains are nearly equiaxed; when the V element was further added, the grain coarsening phenomenon appears. For Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-vV alloy, the hot tearing sensitivity coefficient HSC is consistent with the grain size change of the alloy. As the alloy did not contain V element, there only is small amount of intergranular low melting point phase in the microstructure, which can not fonn enough liquid film, and thereby the alloy has the highest hot tearing tendency and the hot tearing sensitivity coefficient is 1.64. As the alloy contained 0.2% V element, the low melting point phase between grains of the alloy obviously increases, and a large amount of liquid film is fonned between grains. Therefore, the alloy has the lowest hot tearing tendency and the hot tearing sensitivity coefficient is 1.05. It is implied that the optimum addition amount of V element is 0.2%. The effect of V element on Al-4.4Cu- 1.5Mg-0.15Zr alloy has mainly two aspects: one is to refine grains; the other is to promote the formation of intergranular low rnelting point phase and a large amount of liquid film. As a result, the hot tearing resistance of alloy is significantly improved.Key words:Al-Cu-Mg alloy; hot tearing sensitivity coefficient; V element; microstructure(编辑：张允华，zyh@fbundr\\^vorld.coni )
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