李省委，林宗德

(閩南理工學(xué)院 工業(yè)機(jī)器人測(cè)控與模具快速制造福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 石獅 362700)

0 引言

鋁元素在自然界廣泛分布，憑借其良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐氧化性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)工程中。但由于其力學(xué)性能和耐腐蝕性能較差，使得鋁的應(yīng)用大大受到限制，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在鋁基質(zhì)中添加一些合金化元素，可以明顯改善鋁的各項(xiàng)性能參數(shù)，因而鋁合金開(kāi)始進(jìn)入人們的視野[1-5]。近幾年來(lái)，鋁合金憑借其良好的性能已廣泛應(yīng)用于航天航空、計(jì)算機(jī)電子產(chǎn)品、汽車(chē)制造等行業(yè)，與此同時(shí)，對(duì)于鋁合金的綜合性能也提出了更高的要求[6-8]。目前，鋁合金性能的改善主要是通過(guò)改變合金的組成成分或改變合金的熱處理溫度這兩點(diǎn)，其中，稀土元素由于在合金中的固溶度較小、易發(fā)生成分過(guò)冷等優(yōu)點(diǎn)被首要考慮為摻雜元素[9-14]。在鋁合金中添加稀土元素可以與合金生成金屬間化合物，這些金屬化合物一般都有較高的熔點(diǎn)，且較為穩(wěn)定地存在于合金的晶界處，不僅可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化合金的晶粒，還可以改善合金的高溫性能，增強(qiáng)合金的流動(dòng)性和抗蠕變性能。近年來(lái)，對(duì)于稀土元素?fù)诫s鋁合金的研究越來(lái)越多[15-17]。陳康華等[18]將稀土元素Gd引入7056鋁合金，研究了Ga對(duì)7056鋁合金微觀組織與腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，添加一定量的Gd可以在基體中形成彌散相，該彌散相可以有效阻礙位錯(cuò)與晶界運(yùn)動(dòng)，提高合金的力學(xué)性能，使基體中存有更多的細(xì)小亞晶組織，還可以獲得更高的應(yīng)力腐蝕抗力。張樹(shù)玲等[19]將稀土Y摻入再生鋁合金ADC12，并對(duì)其組織形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，隨著稀土Y的加入，合金凝固組織中析出的β-Fe相在枝晶間偏析聚集方面得到了改善，枝晶的尺寸得到了細(xì)化，合金的抗拉強(qiáng)度隨著稀土Y加入量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。因此，本文選擇Al-5Mg-2Si系合金為基體合金，通過(guò)改變Ce的摻雜比例，制備出不同Ce摻量的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金，并對(duì)合金的組織性能、斷口形貌及力學(xué)性能進(jìn)行了分析，力圖探討稀土Ce對(duì)合金的強(qiáng)化機(jī)理，為提高Al-5Mg-2Si系合金的力學(xué)性能、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

選擇Al-5Mg-2Si系合金作為基體合金，在其中加入0，0.2%，0.4%和0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀土Ce元素，其中Ce元素是以中間相的形式加入到合金中，表1為經(jīng)過(guò)ICP測(cè)試的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的化學(xué)成分。制備方法如下：選擇工業(yè)純鋁(99.99%)和工業(yè)純鎂(99.99%)作為熔煉合金的原材料，其它元素均以中間合金的形式加入，分別為Al-40Si合金(99.99%)、Al-40Ce合金(99.99%)和Al-Mg合金(99.99%)。在計(jì)算原材料質(zhì)量時(shí)，Al的熔損記為5%，Mg和熔損記為10%，中間合金均不記熔損。按照計(jì)量比稱取純鎂和純鋁，熔化之前將純鎂錠和純鋁錠清洗干凈，將純鋁錠置入坩堝內(nèi)，采用梯度升溫，控制溫度在720 ℃左右，保溫1 h；在鋁錠完全熔化后，梯度升溫至750 ℃，按照配比將純鎂錠、Al-40Si合金、Al-40Ce合金、Al-Mg合金加入鋁液中，攪拌均勻后保溫2 h，確保加入的中間合金全部熔化。采用金屬重力澆注工藝，將其澆注到預(yù)熱溫度為390 ℃的模具中，模具冷卻后，即得合金鑄錠樣品。

表1 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的化學(xué)成分

1.2 樣品測(cè)試及表征

對(duì)制備的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金試樣按照要求進(jìn)行機(jī)械加工，然后進(jìn)行測(cè)試及表征。拉伸性能測(cè)試：在室溫下采用CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試樣的拉伸速度為1 mm/min；X射線衍射測(cè)試(XRD)：采用日本島津公司XRD-6100X射線粉末衍射儀，波長(zhǎng)0.154051 nm，Cu靶Kα射線源，掃描范圍為0～80°，掃描速率為4 °/min；掃描電鏡(SEM)：采用日本日立公司SU1510型掃描電鏡、美國(guó)EDAX GENENIS 4000 X射線能譜儀對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的XRD圖譜。從圖1可以看出，4種合金都結(jié)晶良好，未添加Ce元素的合金相組成主要有α-Al、Si、Mg2Si相；加入Ce元素后，Ce主要以AlCe3和Al-Ce金屬間化合物的形式存在，并沒(méi)有與Mg形成MgCe化合物，且摻雜Ce元素后出現(xiàn)了Al8CeFe4三元含鐵相的化合物。說(shuō)明Ce具有促進(jìn)β-Fe相轉(zhuǎn)化成α-Fe相Al8CeFe4的作用，從而提升合金的綜合性能。

圖1 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的XRD圖譜

2.2 SEM和EDS分析

圖2為Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的SEM圖。從圖2(a)可以看出，不摻雜Ce元素的Al-5Mg-2Si合金的枝晶排列紊亂且尺寸較為粗大，初生相α-Al大小不一，并且偏聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重。從圖2(b)-(d)可以看出，摻入稀土Ce元素后，枝晶的排列得到了明顯改善，并且隨著Ce摻量的增加，晶粒逐漸細(xì)化，分布更為均勻，α-Al的尺寸也逐漸縮小。這是由于稀土Ce元素的固溶度較低，引入的Ce元素與Al、Mg形成了穩(wěn)定的Al-Mg-Ce三元相結(jié)構(gòu)，會(huì)擬制晶粒的長(zhǎng)大，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的效果。對(duì)比圖2(d)與圖2(b)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ce摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，α-Al相有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，形狀也變得細(xì)長(zhǎng)，這是因?yàn)殡S著Ce摻量的逐漸增大，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)后，部分Ce由于過(guò)剩而存留在合金基體內(nèi)，過(guò)剩的Ce與主要組成元素Al和Mg生成中間相，從而消耗了主要相，對(duì)基體產(chǎn)生了弱化作用[20]。此外，過(guò)量的Ce摻雜有讓枝晶長(zhǎng)大的趨勢(shì)，將導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率降低。

圖2 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的SEM圖

圖3為Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的放大SEM圖，表2為圖3中對(duì)應(yīng)點(diǎn)(a、b和c )的EDS成分含量。從圖3和表2可以看出，Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的主要相為α-Al相，含量占到了94%～99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，且Ce元素與Al形成的Al-Ce相均勻分布在基體中，沒(méi)有出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。

圖3 Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的放大SEM圖

表2 圖3中對(duì)應(yīng)點(diǎn)(a、b和c )的EDS成分含量

2.3 力學(xué)性能分析

采用CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸試樣通過(guò)線切割加工后再用砂紙研磨。室溫拉伸試樣為板狀，尺寸如圖4所示，在室溫下拉伸速率為1 mm/min，對(duì)每種材料拉伸3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

圖4 拉伸試樣尺寸

圖5為Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率曲線。將Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉強(qiáng)度、原始標(biāo)距、斷后標(biāo)距和延伸率進(jìn)行測(cè)量計(jì)算后匯總，結(jié)果如表3所示。由圖5和表3可以發(fā)現(xiàn)，

表3 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的拉伸性能

圖5 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化曲線

Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著Ce摻量增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Ce摻量為0時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為105.70 MPa和0.76%；當(dāng)Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到最大值，分別為133.70 MPa和1.64%，相比Ce摻量為0時(shí)，分別增長(zhǎng)了26.49%和115.79%；當(dāng)Ce摻量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，分別為130.20 MPa和1.20%，相比Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，分別下降了2.62%和26.83%。可知適量的稀土Ce摻雜可以提高合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率，當(dāng)Ce摻量過(guò)多時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所下降。

2.4 斷口形貌分析

圖6為Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金拉伸斷口的SEM圖。從圖6(a)可以看出，當(dāng)Ce摻量為0時(shí)，合金斷裂面基本沒(méi)有完整的晶粒存在，其斷裂方式主要為解離斷裂。從圖6(b)-(d)可以看出，當(dāng)合金中摻入稀土Ce之后，合金的晶粒尺寸得到了優(yōu)化，晶粒均較為完整未被拉裂，且均出現(xiàn)了一定量的空洞，其斷裂方式主要為延晶斷裂。這是因?yàn)槲磽诫s稀土Ce的合金晶粒尺寸較大，而大尺寸晶粒在參與拉伸過(guò)程中更易被撕裂，導(dǎo)致合金性能下降；當(dāng)合金中摻入稀土Ce后，晶粒得到了細(xì)化，晶粒尺寸有一定的縮小，晶粒的整體數(shù)量有一定的提升，因而使合金的整體力學(xué)性能有一定的提高；當(dāng)稀土Ce的摻量過(guò)剩時(shí)，會(huì)與Al、Mg等生成中間相，這些中間相會(huì)附著在晶界上，并對(duì)晶面產(chǎn)生分裂作用，從而導(dǎo)致合金的力學(xué)性能下降。從圖6可以看出，當(dāng)Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，合金的晶力學(xué)性能最優(yōu)。

圖6 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金拉伸斷口的SEM圖

3 結(jié)論

(1)XRD分析表明，Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金主要由α相組合而成，摻雜Ce元素后出現(xiàn)了Al8CeFe4三元含鐵相的化合物，說(shuō)明Ce具有促進(jìn)β-Fe相轉(zhuǎn)化成α-Fe相Al8CeFe4的作用，從而提升了合金的綜合性能。

(2)SEM分析發(fā)現(xiàn)，不摻雜Ce元素的Al-5Mg-2Si合金的枝晶排列紊亂且尺寸較為粗大，初生相α-Al大小不一，并且偏聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重；摻入稀土Ce元素后，枝晶的排列得到了明顯改善，并且隨著Ce摻量的增加，晶粒逐漸細(xì)化，分布更為均勻，α-Al的尺寸也逐漸縮小。

(3)EDS分析可知，Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的主要相為α-Al相，Ce元素與Al形成的Al-Ce相均勻分布在基體中，沒(méi)有出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。

(4)力學(xué)性能和斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，適量的稀土Ce摻雜可以提高合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率，當(dāng)Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率均達(dá)到最佳，繼續(xù)增加Ce摻量時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所下降；未摻雜Ce的合金主要為解離斷裂，摻入Ce后，合金的斷裂方式主要為延晶斷裂，且斷口處晶粒均較為完整未被拉裂。