華稱文，甘章華，倪 明，劉 靜，盧志紅

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

Cr元素對(duì)Al-Ni合金凝固組織及顯微硬度的影響

華稱文，甘章華，倪 明，劉 靜，盧志紅

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、X射線衍射分析(XRD) 和硬度測(cè)試等手段研究Cr元素對(duì)Al-Ni合金的相組成、凝固組織及顯微硬度的影響。結(jié)果表明，AlNi2.5Crx合金凝固組織主要為α(Al)相和共晶組織Al-Al3Ni；Cr的添加細(xì)化了合金凝固組織，當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，α(Al)細(xì)化效果最佳，當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，Al3Ni細(xì)化效果最佳；隨著Cr含量的增加，合金硬度得到提高，當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，合金硬度達(dá)到最大值51.2HV，這是固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和晶格畸變共同作用的結(jié)果。

Al-Ni合金；Cr；微合金化；凝固組織；顯微硬度

密度小、比強(qiáng)度高的鑄造鋁合金因其優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能而得到廣泛應(yīng)用。例如Al-Ni合金，多用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)零件和燃?xì)鉁u輪葉片等。但是，傳統(tǒng)的鑄造鋁合金由于晶粒尺寸等限制原因，性能無法再有突破性提高，故鋁合金的強(qiáng)化顯得尤為重要。

研究表明[1-4]，通過加入Mn、Zr、Sc、Y等一些微量合金元素，可以使鋁合金產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化以及形成外來晶核細(xì)化晶粒，從而改善其力學(xué)性能和耐腐蝕性能等。Cr作為常見的合金化添加元素，也可以細(xì)化鋁合金組織晶粒，提高其性能。張新明等[5]研究了Cr對(duì)Al-Mg-Si-Cu合金組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%的Cr后，合金晶粒尺寸從50～150 μm細(xì)化至3～15 μm，其強(qiáng)度和塑性也顯著提高。任鑫等[6]研究了La、Cr對(duì)壓鑄鋁合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入Cr后合金組織晶粒明顯細(xì)化，當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，合金具有最佳的綜合力學(xué)性能。周志樂[7]研究了Cr及熱處理工藝對(duì)6463合金組織與性能的影響，結(jié)果表明Cr元素能夠顯著細(xì)化合金的鑄態(tài)組織，Cr含量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)的細(xì)化效果最好。目前，關(guān)于Al-Ni合金微合金化方面的研究相對(duì)較少，因此本文選取Cr為微合金化元素，利用高頻感應(yīng)加熱爐制備不同Cr含量的Al-Ni-Cr合金，探討Cr對(duì)AlNi2.5Crx的凝固組織及顯微硬度的影響，以期為Al-Ni合金的性能強(qiáng)化提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

鑄錠試樣由線切割機(jī)沿縱軸方向切成兩半，經(jīng)鑲樣、預(yù)磨、拋光和腐蝕(腐蝕液為10%NaOH水溶液)后制成金相試樣，在圖1所示位置取樣觀察，其中a和c距邊緣0.25 mm，b在中心區(qū)域。

1.2 組織觀察和性能測(cè)試

采用蔡氏金相顯微鏡、Nova400Nano型掃描電鏡(SEM)對(duì)樣品的顯微組織進(jìn)行觀察，并采用其附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。通過X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀檢測(cè)合金的相組成。為了確定凝固組織的平均晶粒尺寸，根據(jù)樣品取樣位置的顯微組織照片，采用 Image-Pro-Plus 軟件用截線法測(cè)量各視場(chǎng)中的晶粒平均直徑，測(cè)量5次，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各取樣位置晶粒尺寸的平均值。用HV-1000B型維氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，取5次結(jié)果的平均值。

圖1 取樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Cr對(duì)Al-Ni合金相組成的影響

圖2為不同Cr含量AlNi2.5Crx合金的XRD圖譜。由圖2可知，添加Cr元素沒有改變合金的相組成，合金主要由面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的基體α(Al)和金屬間化合物Al3Ni組成，這表明添加的Cr完全固溶在Al基體中，并未析出含Cr的金屬化合物。然而，在Cr元素的微合金化作用下, 合金的XRD圖譜還是有了明顯變化，即隨著Cr含量的不同，合金中基體α(Al)和金屬間化合物Al3Ni的衍射峰強(qiáng)度也在不斷改變，表明晶粒原先的擇優(yōu)取向受到抑制，不斷形成新的擇優(yōu)取向。

圖2 AlNi2.5Crx合金的X射線衍射圖譜

圖3為AlNi2.5Cr0.2合金凝固組織的SEM照片和EDS圖譜。結(jié)合EDS和XRD圖譜得知，凝固組織中黑色平坦的部分為基體α(Al)相，呈現(xiàn)灰色小平面的部分為Al-Al3Ni共晶組織，其中基體為α(Al)相，棒狀纖維Al3Ni相鑲嵌于基體α(Al)中。Al-Al3Ni共晶組織呈共晶集群狀聚集在一起,集群內(nèi)部規(guī)則的棒狀纖維Al3Ni分布均勻，集群邊緣的棒狀A(yù)l3Ni卻明顯變寬,甚至散落在基體α(Al)上呈小塊狀,原因是Al3Ni相受熱流影響表現(xiàn)出強(qiáng)烈的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)[8]。

圖3 AlNi2.5Cr0.2合金凝固組織的SEM照片和EDS能譜

2.2 Cr對(duì)Al-Ni合金凝固組織的影響

2.2.1 試樣不同位置的組織形貌

圖4為AlNi2.5Cr0.2合金試樣縱切面不同取樣位置處(參見圖1)的組織形貌。由圖4可知，合金鑄錠試樣凝固組織為初生α(Al)和Al-Al3Ni共晶組織，其中α(Al)分為兩個(gè)形態(tài)的晶區(qū)：一為表面位置(a和c處)的表層細(xì)晶粒區(qū)，二為內(nèi)部位置(b處)的粗大晶粒區(qū)。表面細(xì)晶粒區(qū)很薄，約為0.5 mm，剩余為粗大晶粒區(qū)。通常表面細(xì)晶粒區(qū)也稱激冷區(qū)，表面位置的熔體有較大的過冷度而大量生核，且受型壁散熱方向的影響較小，從而形成無方向性的細(xì)小晶粒。一旦凝固殼層穩(wěn)定形成，晶粒在熱流作用下以枝晶狀延伸生長(zhǎng)長(zhǎng)大，且在剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)過程中，樹枝晶根部有明顯“縮頸”現(xiàn)象,晶粒斷開破碎，生成頭大根小的晶粒,樹枝晶逐漸向等軸晶轉(zhuǎn)變[9]。因此，合金表面位置為細(xì)晶粒區(qū)，內(nèi)部位置為粗大晶粒區(qū)。

(a)取樣位置a (b)取樣位置b (c)取樣位置c

圖4AlNi2.5Cr0.2合金試樣中不同取樣位置的組織形貌

Fig.4MicrostructureandmorphologyofdifferentsamplingpositionsinAlNi2.5Cr0.2alloy

2.2.2 Cr對(duì)Al-Ni合金中α(Al)的影響

圖5為不同Cr含量的AlNi2.5Crx合金內(nèi)部粗大晶區(qū)的組織形貌。圖5(a)中可以觀察到的白色部分(A處)為初生α(Al)相，屬于典型的樹枝晶；灰色集群(B處)為Al-Al3Ni共生組織，由基體α(Al)相和棒狀A(yù)l3Ni相構(gòu)成。由圖5可知,未添加Cr的α(Al)原始組織較粗大,呈現(xiàn)明顯的樹枝晶。隨著Cr含量的增加,α(Al)晶粒尺寸先減小后增大。當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，合金中α(Al)晶粒細(xì)化效果最佳，枝晶數(shù)量減少,等軸晶數(shù)量增多，且分布比較均勻。當(dāng)Cr含量繼續(xù)增加時(shí)，α(Al)晶粒細(xì)化不明顯，樹枝晶呈密集網(wǎng)狀。

(a)x(Cr)=0 (b)x(Cr)=0.1%

(c)x(Cr)=0.2% (d)x(Cr)=0.3%

(e)x(Cr)=0.4% (f)x(Cr)=0.5%

圖5AlNi2.5Crx合金內(nèi)部凝固組織的OM照片

Fig.5OMimagesoftheinnersolidificationstructuresinAlNi2.5Crxalloys

圖6為不同Cr含量的AlNi2.5Crx合金表層細(xì)晶區(qū)的組織形貌，圖中白色α(Al)相為典型的等軸晶。圖7為表層細(xì)晶區(qū)α(Al)相晶粒尺寸與合金Cr含量的關(guān)系。結(jié)合圖6和圖7可知,未添加Cr時(shí)，合金中的α(Al)組織較粗大，且大小不均勻，平均晶粒尺寸約為18.05 μm；添加微量Cr后，合金中α(Al)組織發(fā)生了明顯的變化，晶粒尺寸先減小后增大。當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，α(Al)組織得到了最大程度的細(xì)化，平均晶粒尺寸約為9.18 μm，與未添加Cr相比，平均晶粒尺寸細(xì)化幅度約為49.1%。

(a)x(Cr)=0 (b)x(Cr)=0.1%

(c)x(Cr)=0.2% (d)x(Cr)=0.3%

(e)x(Cr)=0.4% (f)x(Cr)=0.5%

圖6AlNi2.5Crx合金表層凝固組織的OM照片

Fig.6OMimagesofthesurfacesolidificationstructuresinAlNi2.5Crxalloys

圖7 α(Al)相晶粒尺寸與合金Cr含量的關(guān)系

Fig.7Relationshipbetweenthegrainsizeofα(Al)phaseandCrcontentofthealloys

Cr在α(Al)中的最大平衡固溶度為0.77%(摩爾分?jǐn)?shù))，平衡分配系數(shù)遠(yuǎn)小于1。添加Cr元素可以細(xì)化α(Al)組織，主要是因?yàn)樵诤辖鹉踢^程中，由于溶質(zhì)的再分配，Cr會(huì)大量富集在固液界面前沿，引起成分過冷，使得枝晶縮頸熔斷的幾率增大，造成大量枝晶臂斷裂并脫落，增加了結(jié)晶核心的數(shù)量，從而細(xì)化了α(Al)組織。再者，由于Cr的原子半徑(0.125 nm)小于Al的原子半徑(0.143 nm)，在基體α(Al)的生長(zhǎng)過程中，一旦Cr進(jìn)入α(Al)中，形成置換固溶體，α(Al)會(huì)產(chǎn)生晶格畸變。組元間的原子半徑相差越大,晶格畸變能也越大。為了保持系統(tǒng)自由能最低，Cr原子只能選擇吸附在α(Al)的表面，這樣在很大程度上阻礙了枝晶的生長(zhǎng)，起到了細(xì)化組織的效果。然而，當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)超過0.2%時(shí)，過量的Cr會(huì)極大地增加固溶體的過飽和度，顯著降低熔體凝固前沿液相的成分過冷度，增大合金熔體的結(jié)晶范圍，最終導(dǎo)致合金的晶粒出現(xiàn)長(zhǎng)大的現(xiàn)象[7]。

2.2.3 Cr對(duì)Al-Ni合金共晶組織中Al3Ni的影響

圖8為不同Cr含量的AlNi2.5Crx合金試樣中心位置凝固的共晶組織形貌。合金的共晶組織為Al-Al3Ni共晶，其中Al3Ni以規(guī)則纖維狀鑲嵌在Al基體中。圖9所示為Al3Ni相晶粒尺寸與合金Cr含量的關(guān)系。

結(jié)合圖8和圖9可知，隨著Cr含量的增加，AlNi2.5Crx合金中棒狀A(yù)l3Ni的平均直徑d和平均間距λ均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。未添加微量Cr時(shí)，棒狀A(yù)l3Ni的平均直徑d約為0.41 μm，平均間距λ約為0.59 μm；當(dāng)x(Cr)=0.3%時(shí)，棒狀A(yù)l3Ni達(dá)到最細(xì)，其平均直徑約為0.13 μm，平均間距約為0.19 μm，與未添加Cr時(shí)相比，Al3Ni的平均直徑減小幅度約為 68.3%，平均間距減小幅度約為67.8%。這主要是由于Cr 屬于過渡族元素，它的d原子層是未填滿的，與Al元素具有很強(qiáng)的親和力，比較容易進(jìn)入到因能量和結(jié)構(gòu)起伏而形成的團(tuán)簇中，而含Cr的原子團(tuán)簇更加穩(wěn)定并較易長(zhǎng)大，成為結(jié)晶時(shí)的形核核心。隨著Cr含量的增加，形成穩(wěn)定原子團(tuán)的數(shù)量增多，增加了晶核的數(shù)量，提高了熔體形核率[10]。因此Cr對(duì)Al3Ni晶粒細(xì)化具有促進(jìn)作用。然而，如前所述，過量的Cr會(huì)增加固溶體的過飽和度，降低熔體凝固前沿液相的成分過冷度，增大合金熔體的結(jié)晶范圍，反而會(huì)導(dǎo)致共晶組織中Al3Ni尺寸變大。

(a)x(Cr)=0 (b)x(Cr)=0.1%

(c)x(Cr)=0.2% (d)x(Cr)=0.3%

(e)x(Cr)=0.4% (f)x(Cr)=0.5%

圖8AlNi2.5Crx合金凝固中心的共晶組織SEM照片

Fig.8SEMimagesofeutecticstructuresinthesolidificationcenterofAlNi2.5Crxalloys

圖9 Al3Ni相晶粒尺寸與合金Cr含量的關(guān)系

Fig.9RelationshipbetweenthegrainsizeofAl3NiphaseandCrcontentofthealloys

2.3 Cr對(duì)Al-Ni合金顯微硬度的影響

由于合金表層細(xì)晶粒區(qū)對(duì)鑄件性能影響有限，故硬度測(cè)試取樣位置均在內(nèi)部粗大晶粒區(qū)。圖10所示為不同Cr含量AlNi2.5Crx合金試樣中心位置的硬度。由圖10可知，未添加Cr元素時(shí)，合金平均硬度為38.9HV；隨著Cr含量的增加，合金硬度呈現(xiàn)總體增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)x(Cr)=0.4%時(shí)，合金的平均硬度比x(Cr)=0.3%時(shí)略微下降；當(dāng)Cr含量為0.5%時(shí)，合金的硬度達(dá)到最大，平均硬度為51.2HV，比未添加Cr時(shí)的硬度提高約32%。

圖10AlNi2.5Crx合金的顯微硬度與Cr含量之間的關(guān)系

Fig.10RelationshipbetweenthemicrohardnessandCrcontentofAlNi2.5Crxalloys

合金性能的變化取決于顯微組織的改變。AlNi2.5Crx合金顯微硬度的提升原因是:一方面，Cr作為溶質(zhì)原子固溶到Al基體上起到了固溶強(qiáng)化的作用；另一方面，Cr使得α(Al)和Al3Ni晶粒尺寸細(xì)化，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用使合金硬度上升。此外，晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)影響合金的硬度。表1中列出了不同Cr含量AlNi2.5Crx合金的α(Al)晶格常數(shù)。由表1可見，添加Cr元素后，鋁基體的晶格常數(shù)均有所降低。晶格常數(shù)的減小會(huì)引起較大的晶格畸變，阻礙滑移，從而使合金得到強(qiáng)化[11]。然而過量的Cr元素使合金的組織粗化，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱，而固溶強(qiáng)化作用卻一直存在。因此，AlNi2.5Crx合金的硬度隨Cr含量的增加而呈現(xiàn)出波動(dòng)性提高是固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和晶格畸變?nèi)吖餐饔玫慕Y(jié)果。

表1 AlNi2.5Crx合金的α(Al)晶格常數(shù)

3 結(jié)論

(1)AlNi2.5Crx合金凝固組織為初生α(Al)和共晶組織Al-Al3Ni。合金表層為細(xì)小晶粒區(qū)，內(nèi)部為粗大晶粒區(qū)，共晶組織中規(guī)則的棒狀纖維Al3Ni相鑲嵌于基體α(Al)中。

(2)Cr 元素可以細(xì)化合金凝固組織。當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，α(Al)相細(xì)化效果最好；當(dāng)Cr的原子分?jǐn)?shù)為0.3 %時(shí)，Al3Ni相細(xì)化效果最好。

(3)隨著Cr含量的增加，AlNi2.5Crx(x=0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5)合金的硬度呈現(xiàn)總體增大的變化趨勢(shì)，AlNi2.5Cr0.4比AlNi2.5Cr0.3的硬度略有降低，AlNi2.5Cr0.5的硬度最高,這是固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和晶格畸變?nèi)吖餐饔玫慕Y(jié)果。

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EffectofCronsolidificationstructureandmicrohardnessofAl-Nialloy

HuaChengwen,GanZhanghua,NiMing,LiuJing,LuZhihong

(1.College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The effect of Cr on the phase composition, solidification structure and microhardness of Al-Ni alloys was studied by OM, SEM, EDS, XRD and hardness test.The results show that the phase composition of AlNi2.5Crxalloys mainly includesα(Al) phase and Al-Al3Ni eutectic. Solidifica-tion structures of the alloys are obviously refined by adding Cr. The average grain sizes ofα(Al)phase and Al3Ni phase reach the minimum when Cr content is 0.2 at.% and 0.3 at.% respectively. With the increase of Cr content,the microhardness of the alloys rises. When Cr content is 0.5 at.%, the alloy has the maximal microhardness of 51.2HV.This is mainly due to the combined action of solid solution strengthening, fine-grain strengthening and lattice distortion.

Al-Ni alloy; Cr; microalloying; solidification structure; microhardness

2017-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11574242).

華稱文(1992-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生. E-mail:738295639@qq.com

甘章華(1974-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士. E-mail:gumpgzh@aliyun.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.007

TG146.21

A

1674-3644(2017)05-0356-07

[責(zé)任編輯尚晶]