刘轩等：电解制备含钪铝合金三元相超声细化机制 ·1467 2结果与讨论 2.1超声协同电解制备A-Si-Sc合金凝固组织 图2所示为超声协同熔盐电解Al-Si-Sc合金 的X射线衍射图谱.原始A1-Si合金包含A1和 Si相，而Al-Si-Sc合金由Al、Si和三元AlSi2Sc2 200m 50m 504m 相组成.图3所示为电解制备Al-Si-Sc合金微观 (e 凝固组织.如图3(a)所示，常规电解(MSE) AI-Si-Sc合金微观凝固组织主要由a-A1基体和 共晶硅组成.同时，在α-A1基体和共晶硅附近均 发现特殊形态相，呈网状形态（图3(b))或空心菱 200μm 200m 形状（图3(c)).结合图2中X射线衍射图谱可知， 图3熔盐电解A-Si-Sc合金微观凝固组织(a~c)常规电解合金； 该网状和空心菱形相应为三元AlSi2Sc2相.据 (d)超声协同电解合金：(e)超声协同电解-凝固合金 A1-Si-Sc三元合金相图，三元相A1SiSC2分别由 Fig.3 Optical micrographs of the Al-Si-Sc alloy,prepared by molten 在624.5℃经包晶反应(L+AlSc→-A1Si2Sc2+(A1) salt electrolysis:(a-c)MSE:(d)US-MSE;(e)US-MSE/US-SOL 和在570.8℃经三元共晶反应(L→T-A1Si2Sc2+(A1)+ 图4所示为熔盐电解A1-Si-Sc合金中三元 (Si))生成.另外，网状三元A1Si2Sc2主要位于a-A1 AISi,SC2相三维形貌.常规电解合金中空心菱形状 基体和共晶硅附近，而空心菱形三元A1Si2Sc2相主 三元AISi2Sc2相三维形貌呈空心长管状，分布于a- 要位于c-Al基体内，尺寸约为205m.由此判断， Al基体当中，如图4(a)所示.该空心管状三元 共晶反应生成网状三元AISi2Sc2相，包晶反应生成 A1Si2Sc2相化学成分原子数分数为A1-39.1%Si- 空心菱形A1Si2Sc2相，也与相关文献报道一致6,20 40.2%Sc,如图4(b)所示；其中Si/Sc比约为1，与 除a-A1和共晶硅相外，超声协同电解(US-MSE) 三元A1Si2Sc2相化学式一致.图4(c)所示超声协 AI-Si-Sc合金凝固组织主要包含空心菱形三元 同电解合金中三元A1Si2Sc2相仍然呈空心长管状， AISi2Sc2相，并且其尺寸相较于常规电解合金有所 这也表明电解过程超声协同对三元A1Si,Sc2相形 增大（长度可达数百微米），如图3(d)所示.这可能 态影响不大在电解后合金凝固过程继续施加超声 与超声协同增加合金中钪含量有关”在电解后 协同作用，使三元A1Si2Sc2相三维形貌则转变为细 合金凝固过程中进一步施加协同超声(US-MSE/ 小实心短方棒状(40m),且尺寸显著细化，如图4d US-SOL),三元AISi,Sc2相显著细化，且呈实心颗 所示.这表明超声协同细化三元AlSi,Sc2相机制 粒状，尺寸约为几十微米，如图3()所示.同时，施 主要作用于电解后凝固阶段. 加协同超声后，合金中网状三元A1Si2Sc2相显著减 2.2超声协同电解制备A-Cu-Sc合金凝固组织 少，也表明超声协同作用可显著改变A1-Si-Sc合 图5所示为超声协同熔盐电解Al-Cu-Sc合 金凝固反应进程及终态组织 金的X射线衍射图谱.原始A1-Cu合金相组成为 -Al Si + Al和AlCu相，而电解制备的AI-Cu-Sc合金由 Al、Al2Cu和三元A1Si2Sc2相组成.图6所示为电 解制备Al-Cu-Sc合金微观凝固组织.如图6(a) 所示，常规电解Al-Cu-Sc合金微观凝固组织主要 由-A1基体和晶间第二相组成，且a-A1呈枝品状. Al-Si-Sc 进一步观察发现，晶间第二相包含两种形态：长条 块状和团簇状，如图6(b)所示.图6(b)中插图进 一步显示团簇状相三维形貌，该团簇尺寸大小约 Al-Si 为100um,其由许多细微颗粒团聚而成.图6(c) 15202530354045505560657075808590 2) 和6(d)能谱图分析结果表明这些晶间长条块状和 图2超声协同熔盐电解A-Si-Sc合金X射线衍射图谱 团簇状相化学成分原子数分数分别为A1-32.3% Fig.2 XRD patterns of the Al-Si-Sc alloy,prepared by ultrasound- Cu和Al-25.4%Cu-5.1%Sc.结合X射线衍射图 assisted molten salt electrolysis 谱可知，晶间长条块状相和团簇状相应分别为2    结果与讨论 2.1    超声协同电解制备 Al–Si–Sc 合金凝固组织 图 2 所示为超声协同熔盐电解 Al–Si–Sc 合金 的 X 射线衍射图谱. 原始 Al–Si 合金包含 Al 和 Si 相 ，而 Al–Si–Sc 合金由 Al、Si 和三元 AlSi2Sc2 相组成. 图 3 所示为电解制备 Al–Si–Sc 合金微观 凝 固 组 织 . 如 图 3（ a） 所 示 ， 常 规 电 解 （ MSE） Al–Si–Sc 合金微观凝固组织主要由 α-Al 基体和 共晶硅组成. 同时，在 α-Al 基体和共晶硅附近均 发现特殊形态相，呈网状形态（图 3（b））或空心菱 形状（图 3（c））. 结合图 2 中 X 射线衍射图谱可知， 该网状和空心菱形相应为三 元 AlSi2Sc2 相 . 据 Al–Si–Sc 三元合金相图[19] ，三元相 AlSi2Sc2 分别由 在 624.5 ℃ 经包晶反应（L+Al3Sc→τ-AlSi2Sc2+（Al）） 和在 570.8 ℃ 经三元共晶反应（L→τ-AlSi2Sc2+（Al）+ （Si））生成. 另外，网状三元 AlSi2Sc2 主要位于 α-Al 基体和共晶硅附近，而空心菱形三元 AlSi2Sc2 相主 要位于 α-Al 基体内，尺寸约为 205 μm. 由此判断， 共晶反应生成网状三元 AlSi2Sc2 相，包晶反应生成 空心菱形 AlSi2Sc2 相，也与相关文献报道一致[16, 20] . 除 α-Al 和共晶硅相外，超声协同电解（US-MSE） Al–Si–Sc 合金凝固组织主要包含空心菱形三元 AlSi2Sc2 相，并且其尺寸相较于常规电解合金有所 增大（长度可达数百微米），如图 3（d）所示. 这可能 与超声协同增加合金中钪含量有关[17] . 在电解后 合金凝固过程中进一步施加协同超声（US-MSE/ US-SOL），三元 AlSi2Sc2 相显著细化，且呈实心颗 粒状，尺寸约为几十微米，如图 3（e）所示. 同时，施 加协同超声后，合金中网状三元 AlSi2Sc2 相显著减 少，也表明超声协同作用可显著改变 Al–Si–Sc 合 金凝固反应进程及终态组织. 图 4 所示为熔盐电解 Al–Si–Sc 合金中三元 AlSi2Sc2 相三维形貌. 常规电解合金中空心菱形状 三元 AlSi2Sc2 相三维形貌呈空心长管状，分布于 α- Al 基体当中 ，如图 4（ a）所示. 该空心管状三元 AlSi2Sc2 相化学成分原子数分数为 Al–39.1% Si– 40.2% Sc，如图 4（b）所示；其中 Si/Sc 比约为 1，与 三元 AlSi2Sc2 相化学式一致. 图 4（c）所示超声协 同电解合金中三元 AlSi2Sc2 相仍然呈空心长管状， 这也表明电解过程超声协同对三元 AlSi2Sc2 相形 态影响不大在电解后合金凝固过程继续施加超声 协同作用，使三元 AlSi2Sc2 相三维形貌则转变为细 小实心短方棒状（40 μm），且尺寸显著细化，如图 4d 所示. 这表明超声协同细化三元 AlSi2Sc2 相机制 主要作用于电解后凝固阶段. 2.2    超声协同电解制备 Al–Cu–Sc 合金凝固组织 图 5 所示为超声协同熔盐电解 Al–Cu–Sc 合 金的 X 射线衍射图谱. 原始 Al–Cu 合金相组成为 Al 和 Al2Cu 相，而电解制备的 Al–Cu–Sc 合金由 Al、Al2Cu 和三元 AlSi2Sc2 相组成. 图 6 所示为电 解制备 Al–Cu–Sc 合金微观凝固组织. 如图 6（a） 所示，常规电解 Al–Cu–Sc 合金微观凝固组织主要 由 α-Al 基体和晶间第二相组成，且 α-Al 呈枝晶状. 进一步观察发现，晶间第二相包含两种形态：长条 块状和团簇状，如图 6（b）所示. 图 6（b）中插图进 一步显示团簇状相三维形貌，该团簇尺寸大小约 为 100 μm，其由许多细微颗粒团聚而成. 图 6（c） 和 6（d）能谱图分析结果表明这些晶间长条块状和 团簇状相化学成分原子数分数分别为 Al–32.3% Cu 和 Al–25.4%Cu–5.1% Sc. 结合 X 射线衍射图 谱可知 ，晶间长条块状相和团簇状相应分别为 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2θ/(°) 60 65 70 75 80 85 90 Si AlSi2Sc2 Intensity Al−Si−Sc Al−Si Al 图 2    超声协同熔盐电解 Al–Si–Sc 合金 X 射线衍射图谱 Fig.2     XRD  patterns  of  the  Al –Si –Sc  alloy,  prepared  by  ultrasound￾assisted molten salt electrolysis (a) 200 μm Eutectic Si Ternary AlSiSc phase (d) 200 μm (e) 200 μm (b) 50 μm (c) Net-like 50 μm AlSiSc Hollow rhombus AlSiSe AlSiSc phase AlSiSc particles 图 3    熔盐电解 Al–Si–Sc 合金微观凝固组织. （a～c）常规电解合金； （d）超声协同电解合金；（e）超声协同电解–凝固合金 Fig.3    Optical micrographs of the Al–Si–Sc alloy, prepared by molten salt electrolysis: (a−c) MSE; (d) US-MSE; (e) US-MSE/US-SOL 刘    轩等： 电解制备含钪铝合金三元相超声细化机制 · 1467 ·