La掺杂优化Sb改性A356合金的微观组织与性能协同提升机制

【编辑推荐】为解决Al-Si合金中粗大板状共晶Si相损害力学与耐蚀性的问题，桂林理工大学团队通过添加La元素优化Sb改性A356合金。研究发现0.3 wt.% La使共晶Si相从连续片层结构转变为1.04 μm的颗粒状，UTS(极限抗拉强度)提升8.24%至171.83 MPa，EI(延伸率)激增89.26%至13.21%，腐蚀性能因La富集相和Si相细化同步增强。该研究为航空航天轻量化材料开发提供新思路。

　　

在航空航天和汽车工业追求轻量化的浪潮中，Al-Si合金因其低密度、优异机械性能和耐腐蚀特性成为明星材料。然而，传统铸造工艺产生的粗大板状共晶Si相如同隐藏在材料中的"隐形裂纹"，严重制约了合金性能的突破。尽管化学改性元素如Sr、Na能有效细化Si相，但其活泼的化学性质易导致熔体气孔和氧化损耗；Sb元素虽稳定性优异，但改性效果有限。如何在不引入新缺陷的前提下实现Si相形态的精准调控，成为材料科学家亟待解决的难题。

桂林理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向兼具经济性和功能性的稀土元素La。他们在Sb改性A356合金体系中引入不同含量La（0-0.5 wt.%），通过系统研究揭示了La对微观组织-性能关联的调控机制。这项发表于《Materials Today Communications》的研究，为开发新一代高性能铸造铝合金提供了重要理论支撑。

研究采用电阻炉熔炼法制备合金样品，通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)分析微观结构演变，结合拉伸试验和电化学测试分别评估力学与腐蚀性能。关键创新在于建立了La含量-共晶Si相形貌-性能指标的定量关系模型。

【Microstructure】研究发现La对初生α-Al枝晶影响微弱，但对共晶Si相具有显著形态调控作用。未添加La的A356-0.1Sb合金中Si相呈连续片状结构（平均尺寸2.15 μm，长径比3.62），而添加0.3 wt.% La后转变为1.04 μm的等轴颗粒（长径比1.38）。这种转变源于La在固液界面的偏析降低了Si相生长各向异性。

【Mechanical properties】力学性能呈现先升后降趋势，A356-0.1Sb-0.3La合金达到峰值：UTS 171.83 MPa（较无La合金提高8.24%），EI 13.21%（提升89.26%）。性能提升归因于颗粒状Si相有效阻碍位错运动并延缓裂纹扩展。但过量La（0.5 wt.%）会导致Si相粗化为短棒状，引发性能下降。

【Corrosion properties】电化学测试显示0.3 wt.% La使腐蚀电流密度降低45%，极化电阻提高2.3倍。共晶区La富集相与细化Si相协同作用，形成更稳定的钝化膜。XPS分析证实表面膜中La₂
O₃
含量增加是耐蚀性提升的关键。

该研究创新性提出"La-Sb协同改性"策略，突破传统单一改性元素的性能瓶颈。通过精准控制La含量（0.3 wt.%最佳），实现了共晶Si相形态从"裂纹源"到"增强相"的转变，使合金同时获得强度-塑性-耐蚀性的协同提升。研究成果不仅为Al-Si合金设计提供新思路，其揭示的稀土元素界面调控机制对其它金属材料体系也具有普适性指导价值。特别值得注意的是，团队发现的La富集相腐蚀防护机制，为开发海洋环境用高耐蚀铝合金开辟了新途径。