安勇良，　尹冬松，　黃永杰

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150022)

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Gd對Al-Cu-Gd合金微觀組織與力學性能的影響

安勇良，尹冬松，黃永杰

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150022)

為改善鋁銅合金鑄件的綜合性能，采用電阻爐熔煉制備Gd含量不同的Al-Cu-Gd合金，經(jīng)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、萬能拉伸試驗機和布氏硬度計測試分析，研究稀土元素Gd含量對合金微觀組織和力學性能的影響。結果表明：當稀土Gd的質量分數(shù)從0增加到0.3%，合金顯微組織得到細化，達到0.3%時，細化效果最優(yōu)，合金的硬度和抗拉強度及伸長率均達到最佳；當稀土Gd的質量分數(shù)達到0.5%時，合金的晶粒細化不明顯，合金的硬度和抗拉強度及伸長率均降低。

Gd； 顯微組織； 細化； 力學性能

0　引　言

鋁銅合金在各類鋁合金中強度最高，其良好的力學性能一直受到各國學者的廣泛關注[1]。但鋁銅合金鑄造性能較差，鑄造過程中易出現(xiàn)多種鑄造缺陷，限制了其進一步應用，因此，改善鑄造鋁銅合金的顯微組織和提高力學性能尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，在鋁合金中添加適量的稀土元素，能夠對鋁合金熔體起到良好的凈化、變質作用，可以減少鑄件缺陷，提高成品率；同時可以細化晶粒，縮小枝晶間距，使其綜合性能得到加強[2]。此外，稀土在鋁合金中能與其他元素化合形成高熔點的金屬間化合物強化晶界，可提高合金的耐熱性及減輕熱裂傾向性[3]。然而，稀土元素對鋁銅合金的細化作用依賴于稀土元素的含量，且在某個范圍內(nèi)有一個最佳值。米國發(fā)等[4-5]發(fā)現(xiàn)含0.5%的富 La 混合稀土對合金組織有較好的細化和變質效果，使綜合力學性能提高，在低于和高于0.5%時，性能下降；同時發(fā)現(xiàn)稀土元素La的加入可以提高ZL201合金的流動性，從而提高其鑄造性能，減小鑄造缺陷的產(chǎn)生。因此，為研究稀土Gd對鋁銅合金的微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，筆者設計制備了三種不同Gd含量的鋁銅合金并結合多種測試技術進行分析。

1　實驗方法與設備

采用SG-5-12坩堝電阻爐熔煉。將鋁塊放入石墨坩堝中再放入熔煉爐，充分熔化后保溫15 min。加入Mg-30%Gd合金，750 ℃保溫15 min使其在金屬液中充分熔化、擴散，并加入六氯乙烷精煉除去金屬液中的氣體。熔煉結束后將金屬液澆入砂型中，自然冷卻直至取出所得鑄件。

樣品的顯微組織采用Zeiss Axio Lab.A1蔡司金相顯微鏡和MX2600FE型掃描電子顯微鏡觀察，在HB-3000B布氏硬度計和CMT5305萬能拉伸機上進行力學性能測試。

2　結果與分析

2.1顯微組織

2.1.1金相顯微組織

圖1是稀土Gd質量分數(shù)為0、0.1%、0.3%、0.5%的Al-Cu-Gd合金金相照片，放大倍數(shù)為100倍。

由圖1可見，不添加稀土Gd時，析出相形態(tài)及尺寸分布不均勻，組織粗大(圖1a)；當添加0.1%Gd時，析出相尺寸變得均勻細小，微觀組織變化明顯(圖1b)；當添加0.3%Gd時，析出相形態(tài)和尺寸更加均勻細小，組織明顯細化，此時對基體的細化效果良好(圖1c)；當添加0.5%Gd時，析出相形態(tài)和組織分布均勻，且其尺寸也有了一些細化，但細化效果并不明顯(圖1d)。

a　0Gd

b　0.1%Gd

c　0.3%Gd

d　0.5%Gd

2.1.2掃描電鏡顯微組織

圖2為添加0.1%Gd合金顯微組織的掃描電鏡背散射電子圖像。由圖2可見，試樣在掃描電鏡下，晶粒呈網(wǎng)狀分布，晶界析出相(十字所在位置)連續(xù)，其Al、Mg、Cu、Gd的質量分數(shù)分別為58.90%、2.54%、31.76%和6.80%。分析可知Cu與Al的質量分數(shù)約為1∶2，推測晶界析出相可能為Al2Cu相。晶內(nèi)(方框所在位置)Al、Mg、Cu、Gd的質量分數(shù)分別為98.3%、1.56%、0、0.24%。晶內(nèi)主要成分為Al，元素Cu在晶內(nèi)的含量為0，這可能是因為全部的Cu元素固溶形成的Al2Cu相在晶界中析出。元素Gd在晶內(nèi)的質量分數(shù)(0.24%)低于晶界，說明少量的Gd固溶于基體，但絕大部分在晶界析出。由圖2可見，稀土Gd與合金中的其他元素如Mg、Cu會在晶界處形成許多含稀土元素的新相，從而使第二相尤其是Al2Cu的形狀、尺寸發(fā)生變化，可能使得第二相從長條狀等形狀轉變成短棒狀粒子，粒子的尺寸也變得比較細小，且呈彌散分布，從而使得基體晶粒細化。金相組織照片也表明稀土Gd對鋁合金有良好的細化效果。

圖2　合金掃描電鏡顯微組織

2.2力學性能

2.2.1抗拉強度和斷后伸長率

表1為稀土Gd含量不同的Al-Cu-Gd合金試樣的拉伸數(shù)據(jù)。由表1可知，隨著Gd質量分數(shù)增大，合金的抗拉強度和伸長率增大，但當Gd質量分數(shù)超過0.3%后，合金的抗拉強度和伸長率減小。當稀土質量分數(shù)較低時(低于0.3%)，稀土易于與Al、Mg、Si等元素形成析出相呈條狀分布在晶界或界內(nèi)，使基體組織得到細化，提高強度。當稀土質量分數(shù)大于0.3%，稀土與合金中的其他元素形成許多含稀土元素的新相，包括一些金屬化合物，形態(tài)上會變得粗大，反而會割裂基體，并引起應力集中， 容易產(chǎn)生裂紋， 因而使抗拉強度降低。 同時，隨著Gd含量的增加，合金中形成較多的硬質相Al2Cu，彌散地分布在晶界上，增大了產(chǎn)生裂紋源的可能性，從而降低了晶粒細化帶來的塑性提高效果，導致合金的抗拉強度和伸長率下降。

表1　拉伸實驗數(shù)據(jù)表

2.2.2硬度

稀土Gd質量分數(shù)為0、0.1%、0.3%、0.5%的Al-Cu-Gd合金試樣的硬度分別為40.4、78.8、90.3、74.3 MPa。硬度和抗拉強度、伸長率的變化趨勢相一致。隨著Gd質量分數(shù)從0增加到0.3%，合金硬度明顯上升。結合顯微組織變化分析可知，添加少量Gd，合金組織得到細化，單位面積內(nèi)晶界數(shù)量和位錯數(shù)量增多，硬度得到大大增強。隨稀土Gd含量增多，在晶界析出連續(xù)相增多，其中含有的硬質相Al2Cu，是使合金硬度明顯增強的主要原因。當稀土Gd質量分數(shù)超過0.3%達到0.5%時，合金硬度下降，其原因可能是Gd含量過高，基體中殘留了較粗大的Al2Cu相，嚴重地割裂了基體。

3　 結　論

(1)當稀土Gd質量分數(shù)從0增加到0.3%，合金顯微組織不斷得到細化，合金的硬度從40.4增加到90.3 MPa，抗拉強度由141增加到179 MPa，斷后伸長率由3.33%增加到4.11%。

(2)當稀土Gd質量分數(shù)達到0.5%時，合金的晶粒細化不明顯，合金的硬度和抗拉強度及伸長率均降低。

[1]吳娟娟, 張曉燕, 盧錦德. 新型高強鑄造鋁銅合金的時效硬化行為研究[J]. 鑄造技術， 2012, 33(09): 48-50．

[2]楊順田， 姚軍. 鑄造鋁銅合金 ZL203-S 強化機理研究與應用[J]. 鑄造技術， 2016, 37(1): 91-94.

[3]廖成偉, 李洋, 涂睿, 等. 高潔凈度Al-5Ti-1B晶粒細化劑的制備與微結構特征[J]. 特種鑄造及有色合金， 2012, 12(3): 203-205.

[4]米國發(fā), 劉彥磊, 龔海軍. 富 La 混合稀土對 ZL201 合金組織性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2009, 38(7): 21-26.

[5]米國發(fā), 劉彥磊, 龔海軍. 稀土 La 和 Ce 對 ZL201 合金鑄造性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2008, 37(15): 34-40.

(編輯王冬)

Effects of Gd contents on microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Gd alloy

ANYongliang,YINDongsong,HUANGYongjie

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at improving the microstructure and mechanical properties of aluminum-copper alloy castings. The study works towards preparing Al-Cu-Gd alloy containing different Gd content by a resistance furnace; and investigating the effects of rare earth elements Gd content of the alloy on the microstructure and mechanical properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, a universal tensile tester, brinell hardness testing instruments. The results show that a 0 to 0.3% increase in mass fraction of Gd could refine the alloy microstructure; a 0.3% increase may afford an optimal refinement effect, together with the resulting optimal hardness, tensile strength and elongation of the alloy; and a 0.5% increase may give a modest refinement, reducing hardness, tensile strength and elongation of the alloy.

Gd; microstructure; refine; mechanical properties

2016-06-13

黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃項目(GC13A104)

安勇良(1982-)，男，吉林省吉林人，講師，博士研究生，研究方向：輕合金材料的制備、設計、計算及納米功能化，E-mail: ylanhust@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.011

TG292

2095-7262(2016)04-0402-03

A