黃　鑫，張曉燕，高紅選，樊　磊，鞏向鵬

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

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稀土鈧對Al-10Mg合金性能的影響*

黃鑫，張曉燕，高紅選，樊磊，鞏向鵬

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

摘要：通過微觀分析及力學(xué)性能測試等方法，研究了添加稀土元素鈧對Al-10Mg合金(ZL301合金)顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，加入適量的鈧元素后明顯細(xì)化了Al-10Mg鑄造合金的顯微組織，主要是由于鈧元素與Al形成顆粒狀的稀土化合物Al3Sc相，使合金中Al3Mg2相減少；經(jīng)435 ℃×16 h固溶處理后，Al3Mg2相基本溶解，稀土化合物Al3Sc相熱穩(wěn)定性較高并未溶解，合金抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高。當(dāng)鈧元素的添加含量為0.4%時，Al-10Mg合金綜合性能最為優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：稀土Sc；Al-10Mg合金；顯微組織；力學(xué)性能

0引言

鋁鎂合金因具有高耐蝕性、低密度、表面光潔和可切削加工性強(qiáng)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于制造在燃?xì)?、海水等腐蝕介質(zhì)下承受載荷的零部件[1-3]。許多研究表明[4-5]：稀土元素能夠使鋁鎂合金晶粒細(xì)化，減少組織偏析，有可能形成Al-RE化合物，從而使其綜合性能得以提高；另外，就其它各類型鋁鎂合金而言，組織的純凈化、細(xì)晶化和均質(zhì)化是提高合金綜合性能的基礎(chǔ)。稀土在這些方面的作用尤為顯著，稀土在鋁合金中的存在形式和細(xì)化機(jī)理一直是稀土鋁合金的一個主要研究范疇[6-8]。本文以Al-10Mg合金為研究對象，通過在Al-10Mg合金中加入不同量的鈧，研究了稀土鈧對Al-10Mg合金性能的影響，為進(jìn)一步開發(fā)出具有更為優(yōu)良性能的鋁鎂合金提供實驗及理論依據(jù)。

1實驗材料和實驗方法

在純鋁、純鎂的基礎(chǔ)上，以Al-Sc中間合金的形式加入鈧，配制4種不同鈧添加量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為0，0.2%，0.4%，0.6%)的Al-10Mg合金，鎂的氧化燒損率按2%計算[9]。先將純鋁放入石墨坩堝中熔化，740 ℃左右將Al-Sc中間合金壓入金屬液。熔煉溫度控制在780 ℃，攪拌5 min，加入六氯乙烷(C2Cl6)進(jìn)行精煉，扒渣后澆注到預(yù)熱至260 ℃左右的鋼模中，得到直徑為20 mm的鑄態(tài)試棒，將鑄態(tài)試棒在箱式電阻爐中進(jìn)行435 ℃×16 h固溶處理，出爐后60 ℃水冷。最后將試棒加工成圖1所示拉伸試樣。

常溫下，利用CSS-4410電子萬能材料實驗機(jī)測定試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率，拉伸速率為2 mm/min；切取金相試樣，磨制并用體積分?jǐn)?shù)為4%的HF水溶液腐蝕；利用JSM-T200型掃描電鏡及其能譜儀分析合金形貌及元素分布；用X-Pert PRO型X射線衍射儀分析合金中的物相。

圖1　拉伸試驗試樣尺寸圖

2實驗結(jié)果

2.1力學(xué)性能分析

圖2為不同添加量鈧及固溶處理對Al-10Mg合金的力學(xué)性能影響的測試結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)鈧的添加量在0.2%～0.4%之間時，鑄態(tài)及固溶態(tài)Al-10Mg合金的抗拉強(qiáng)度不斷增加，延伸率卻變化平緩，當(dāng)鈧的添加量達(dá)到0.4%時，表現(xiàn)出良好的綜合拉伸性能；進(jìn)一步增大稀土鈧的添加量，達(dá)到0.6%時，Al-10Mg合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率趨于降低。可見，適當(dāng)添加量的稀土鈧及固溶處理能夠使Al-10Mg合金得到有效強(qiáng)化。

2.2組織觀察及分析

圖3為不同鈧添加量的Al-10Mg合金顯微組織形貌，觀察可知稀土鈧對鑄態(tài)Al-10Mg合金的顯微組織有著顯著的影響。未添加稀土鈧的Al-10Mg合金晶粒相對粗大，且枝晶較為發(fā)達(dá)(圖3(a))；添加0.2%的稀土鈧后，合金晶粒有所細(xì)化，但細(xì)化效果一般，仍能觀察到少部分枝晶(圖3(b))；伴隨著稀土添加量的增加，添加了0.4%和0.6%鈧的Al-10Mg合金組織明顯細(xì)化，晶界析出相增多，且晶粒變得細(xì)小(圖3(c)、(d))。經(jīng)過435 ℃×16 h固溶處理、水淬后，鑄態(tài)Al-10Mg合金中枝晶組織消失，且晶界處析出相大量溶解(圖3(e))；觀察Al-10Mg-0.4Sc合金(圖3(f))，在其晶界及晶界附近區(qū)域除析出相溶解之外，在晶界處還殘留了一定量的高熔點物相，經(jīng)XRD分析表明，該物相可能為Al3Sc相(圖4)。

圖2不同鈧添加量Al-10Mg合金的力學(xué)性能

Fig 2 Mechanical properties of Al-10Mg alloy with different Sc

圖3　不同鈧含量Al-10Mg合金的顯微組織

圖4　不同Sc含量Al-Mg鑄造合金的XRD物相分析圖譜

圖5為固溶態(tài)不同鈧添加量Al-10Mg合金的微觀形貌圖，對晶界處(圖5(b)中2點)進(jìn)行微區(qū)成分能譜分析：其原子百分比為70.14%Al、6.94%Mg、22.92%Sc(表1)，鋁元素與鈧元素的原子比約為3∶1，文獻(xiàn)表明[10]，該析出相為Al3Sc相。當(dāng)Sc的添加量為0.2%和0.4%時，Al3Sc相主要是以球狀顆粒和短柄狀形態(tài)在晶界或靠近晶界處彌散分布(圖5(a)，(b))；當(dāng)Sc的添加量達(dá)到0.6%時，Al3Sc相的尺寸及數(shù)量增大，并且在晶界區(qū)域密集分布(圖5(c))。

圖5　固溶態(tài)不同鈧含量Al-10Mg合金的微觀形貌

3分析與討論

由Al-10Mg合金力學(xué)性能測試結(jié)果(圖2)，添加適量的稀土鈧能不同程度提高鑄態(tài)及固溶態(tài)Al-10Mg合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率。Al-10Mg合金的力學(xué)性能主要取決于其顯微組織特性，鑄態(tài)Al-10Mg合金的力學(xué)性能較低，這與鑄態(tài)合金中晶粒較為粗大、枝晶發(fā)達(dá)有關(guān)，當(dāng)加入適量的稀土鈧后，其力學(xué)性能有所改善，而經(jīng)過435 ℃×16 h固溶處理后，其力學(xué)性能又得到提升。分析可知，首先，稀土鈧能夠細(xì)化鑄態(tài)Al-10Mg合金晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，EDS分析表明(表1)，鈧基本不溶于α-Al基體，而主要是形成Al3Sc相分布于在晶界區(qū)域，這說明稀土鈧在Al-10Mg合金中的固溶度極低。在凝固過程中，稀土鈧趨于富集在固/液界面前沿，這樣就增大相界面處成分過冷度，進(jìn)而促進(jìn)基體晶粒均勻形核，細(xì)化了合金晶粒[11-12]；其次，Al3Sc相的形態(tài)及分布也對Al-10Mg合金力學(xué)性能存在一定影響，添加適量稀土鈧會形成一定數(shù)量的細(xì)小顆粒狀或短桿狀A(yù)l3Sc相，沿晶界彌散分布(圖4(b))，該類形態(tài)的Al3Sc相可起到釘扎晶界、阻礙位錯運動、防止晶間變形的作用，過量稀土鈧會使Al3Sc相的尺寸及數(shù)量增大，且在晶界區(qū)域密集分布(圖4(c))，根據(jù)晶界強(qiáng)化理論，粗大的高熔點物相在晶界連續(xù)分布將降低晶界結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致稀土對合金的強(qiáng)化作用減弱；而適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砉に?435 ℃×16 h)，能夠使析出相溶解到α-Al基體中，發(fā)生點陣畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高了Al-10Mg合金的力學(xué)性能。

4結(jié)論

(1)稀土鈧通過對晶粒的細(xì)化作用，提高了Al-10Mg合金的力學(xué)性能；在固溶處理工藝(435 ℃×16 h)條件下，當(dāng)稀土鈧的添加量為0.4%時，Al-10Mg合金的力學(xué)性能最為優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度達(dá)到249 MPa，延伸率達(dá)到5.9%。

(2)在Al-10Mg合金中添加稀土鈧形成Al3Sc相，主要是以顆粒狀或短桿狀形態(tài)彌散分布與晶界附近，通過阻礙晶間變形、釘扎晶界使合金力學(xué)性能得到提高。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07149-04

基金項目：貴州省科技計劃資助項目(GY字[2012]3043); 貴州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練資助項目(2014003)

作者簡介：黃鑫(1990-)，男，貴州畢節(jié)人，在讀碩士，師承張曉燕教授，從事新型鋁合金研究。

中圖分類號：TG146.21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.028

Effect of rare earth Sc on mechanical properties of Al-10Mg alloy

HUANG Xin， ZHANG Xiaoyan，GAO Hongxuan，F(xiàn)AN Lei， GONG Xiangpeng

(School of Materials and Metallurgy Guizhou University, Guizhou 550025, China)

Abstract：Effects of scandium addition and solution treatment on microstructure and tensile properties of Al-10Mg alloy(ZL301 alloy) were investigated by microstructure analysis, mechanical properties testing. The results show that the right amount addition of scandium element to Al-10Mg alloy result in grain refined because of new phase Al3Sc forms after the right amount addition of scandium in the Al-10Mg alloys，The size and amount of Al3Mg2 phase are decreased. After solid solution treatment(435 ℃×16 h), the Al3Sc phase dissolves and the rare earth phase with heat stability remains leading to further improving of the mechanical properties of the alloys. When the content of Sc is 0.4%, the Al-10Mg alloy has good comprehensive properties.

Key words：scandium；Al-10Mg alloy；microstructure；mechanical property

收到初稿日期：2015-05-07 收到修改稿日期：2015-07-28 通訊作者：張曉燕，E-mail: ivzhangxiaoyan@163.com