寧 靜，高坤元，李浩楠，文勝平，黃 暉，吳曉藍(lán)，魏 午，聶祚仁

(北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部 教育部先進(jìn)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

在鋁合金中加入微量元素Er，可以有效地改善鋁合金的綜合性能[1-3]。這主要是由于鋁合金時(shí)效過程中會(huì)析出納米級(jí)Al3Er金屬間化合物，其彌散分布在鋁基體中，具有立方L12結(jié)構(gòu)，并與鋁基體共格[4]。Al3Er作為合金中的強(qiáng)化相，其顯微組織與合金的性能密切相關(guān)。此外，金屬間化合物Al3Er具有低密度、高抗氧化性和高熔點(diǎn)等獨(dú)特的物理性能，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料[5]。Er含量超過6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Al-Er合金在凝固過程中，熔體中會(huì)析出Al3Er金屬間化合物，因此，對(duì)Al-xEr合金的研究是十分必要的。

目前對(duì)Al-xEr合金的研究主要集中于微量Er添加到鋁合金中，時(shí)效過程析出納米級(jí)金屬間化合物Al3Er相，或是共晶反應(yīng)生成的Al3Er相[1-4,6-7]，而對(duì)Al-xEr合金凝固組織研究較少，Meyer[8]將過共晶Al-20Er(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金加熱至完全液態(tài)后以不同的速度冷卻至室溫得到Al3Er和基體鋁，再用氫氧化鈉溶液將基體鋁溶解后，得到了純的初生Al3Er，發(fā)現(xiàn)以較快的速度(85 ℃/h)冷卻時(shí)，Al3Er相是L12結(jié)構(gòu)；而在極慢的冷卻速度(4 ℃/h)下，Al3Er相是hR20結(jié)構(gòu)。但對(duì)于除初生Al3Er相之外的凝固組織、中等冷卻速度下得到的凝固組織的微觀形貌及相結(jié)構(gòu)均未報(bào)道。

由于合金成分、冷卻速率是金屬凝固時(shí)最主要的條件[9]，凝固條件的改變將會(huì)使相的結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。此外，Er含量較低時(shí)，獲得的Al3Er相非常少，難以對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。因此，本文選用過共晶Al-xEr(x=10、20、30，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金，將其加熱至液態(tài)后以不同的冷卻速率冷卻得到較大尺寸的凝固組織，之后通過XRD對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定，并通過SEM觀察其組織形貌特征。

1 試驗(yàn)材料與方法

選用過共晶Al-xEr(x=10、20、30，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同)合金，成分見表1。先將其切割成塊狀，放入直徑為φ25 mm的氧化鋁坩堝中，然后在真空度10-3Pa的氬氣保護(hù)下密封于石英玻璃管中，再將Al-10Er、Al-20Er、Al-30Er試樣分別加熱至850、1000和1100 ℃，保溫120 min至完全液態(tài)。將加熱保溫后的試樣以60、40和5 ℃/h的速率冷卻至固相線500 ℃以下，之后隨爐冷至室溫。Al-30Er合金的熱處理工藝見圖1。

表1 Al-xEr合金的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對(duì)試樣進(jìn)行熱處理后，用2000號(hào)砂紙將其表面磨平，用XRD全譜連續(xù)快掃對(duì)試樣中的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，掃描速度6°/min。之后用金剛石研磨膏進(jìn)行機(jī)械拋光。采用Helios Nano-lab 600i場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的背散射電子模式，觀察不同冷卻速率下凝固組織的形貌特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成分對(duì)凝固組織的影響

Al-xEr合金以60 ℃/h的速率冷卻后的微觀形貌，如圖2所示。當(dāng)Er含量為10%時(shí)，如圖2(a)所示，白色多邊形是初生Al3Er相，尺寸約200 μm，并以魚骨狀連接在一起。初生相周圍是深灰色暈圈，如圖2(a)中箭頭所指，其外形類似于初生Al3Er相。與暈圈相連的灰白色區(qū)域是共晶組織，呈絮狀。當(dāng)Er含量為20%時(shí)，如圖2(b)所示，其凝固組織的形貌與含10%Er試樣相同，只是初生Al3Er相的尺寸增加了一倍，可達(dá)400 μm左右。圖2(c)為含30%Er的凝固組織的形貌，可以看到尺寸約為1 mm的初生Al3Er相塊狀結(jié)構(gòu)，在相同的掃描電鏡放大倍數(shù)下，只顯示出了一部分初生相，相與相之間不存在魚骨狀的連接。隨著Er含量的增加，初生Al3Er相的尺寸增大。

對(duì)試樣進(jìn)行XRD測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。可以看出試樣中只存在Al、Al3Er兩種相，且都能很好地與PDF卡片上的衍射峰相重合。結(jié)合圖2分析，白色區(qū)域?yàn)锳l3Er相，深灰色暈圈區(qū)域?yàn)锳l相。

圖2 Al-xEr合金在60 ℃/h冷卻速率下的SEM圖

圖3 Al-xEr合金在60 ℃/h冷卻速率下的XRD圖譜

2.2 冷卻速度對(duì)凝固組織的影響

圖2(c)和圖4為不同冷卻速率下Al-30Er合金凝固組織的微觀形貌。在60 ℃/h的冷卻速率下(圖2(c))，白色塊狀區(qū)域?yàn)槌跎啵喞街?。初生相周圍由深灰色暈圈包圍，如圖2(c)中箭頭所示。暈圈周圍灰白相間的區(qū)域則為共晶結(jié)構(gòu)，呈絮狀。在圖4(a)中，以40 ℃/h冷卻時(shí)，白色塊狀區(qū)域是初生Al3Er相，但形貌與60 ℃/h冷卻時(shí)不同，在圖4(a)的上半部分，初生Al3Er相的輪廓為波浪狀，而在左下角的輪廓平直。初生相的周圍也存在一層深灰色暈圈，如圖4(a)中箭頭所示。暈圈周圍灰白相間的區(qū)域?yàn)楣簿ЫM織，呈條狀。圖4(b)為在5 ℃/h冷卻速率下獲得的凝固組織，與圖2(c)、圖4(a)相比，初生Al3Er相輪廓僅存在波浪狀，其尺寸大大增加，表明冷卻速率足夠慢時(shí)，初生Al3Er相充分長大。

圖4 Al-30Er合金在不同冷卻速率下的SEM圖

對(duì)不同冷卻速率的試樣進(jìn)行XRD分析，衍射光譜見圖5。結(jié)果表明，以不同的速率冷卻時(shí)，凝固組織中均含有Al、Al3Er相，但Al3Er相的結(jié)構(gòu)不同。在60 ℃/h的冷卻速率下，Al3Er相呈L12結(jié)構(gòu)；在5 ℃/h 的冷卻速率下，Al3Er相為hR20結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷卻速率為40 ℃/h時(shí)，形成的Al3Er相為L12和hR20兩種結(jié)構(gòu)并存。

圖5 Al-30Er合金在不同冷卻速率下的XRD圖

從圖2和圖4可以看出，凝固組織中均出現(xiàn)了Al暈。一般認(rèn)為，暈圈主要出現(xiàn)在非共晶合金的凝固組織中，暈圈的形成與共晶組織中兩相的形核能力和生長速率有關(guān)。圖6是Al-xEr二元合金相圖富鋁端的示意圖。圖6中標(biāo)出了過冷液體的成分-溫度點(diǎn)和耦合生長區(qū)。當(dāng)過共晶Al-xEr合金從液態(tài)開始冷卻時(shí)，熔體中首先會(huì)析出初生Al3Er相，液相成分沿著液相線移動(dòng)，直到達(dá)到低于共晶溫度的過冷度ΔT處，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度-成分位于共晶生長的耦合區(qū)域之外，初生Al3Er相周圍會(huì)形成Al暈。隨著Al暈的生長，暈-液界面附近的液體成分逐漸向耦合區(qū)移動(dòng)。當(dāng)它移回耦合區(qū)的左側(cè)邊界時(shí)，共晶組織便開始生長。

圖6 Al-xEr二元合金相圖富鋁端的示意圖

圖7為不同冷卻速率下Al-30Er合金中共晶組織的SEM圖。結(jié)果表明，在60 ℃/h的冷卻速率下，共晶組織呈不規(guī)則絮狀，而在5 ℃/h的冷卻速率下，共晶組織呈條狀。冷卻速率和相結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響共晶組織形貌。首先，在60 ℃/h的冷卻速率下，共晶反應(yīng)不能完全進(jìn)行，原子的擴(kuò)散也受到一定的限制。在這種情況下，共晶相的耦合生長受到抑制，α-Al相和Al3Er相以某種方式獨(dú)立形核長大，使共晶組織呈不規(guī)則絮狀。當(dāng)冷卻速率為5 ℃/h時(shí)，共晶反應(yīng)進(jìn)行得更充分，接近平衡反應(yīng)。同時(shí)，原子擴(kuò)散充分，共晶的兩相能很好地耦合，并以近似條狀生長。其次，不同冷卻速率下得到的Al3Er相結(jié)構(gòu)不同，如L12或hR20結(jié)構(gòu)。L12結(jié)構(gòu)對(duì)稱性高，堆垛順序以3層為周期堆垛，而hR20結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低，堆垛順序以15層為周期堆垛，這也可能導(dǎo)致共晶組織形態(tài)的不同。

圖7 不同冷卻速率下Al-30Er合金中共晶組織的SEM圖

3 結(jié)論

1)過共晶Al-xEr合金從液態(tài)冷卻時(shí)，凝固組織包括初生Al3Er、Al暈和共晶組織。

2)隨著Er含量的增加，凝固組織中初生Al3Er相由魚骨狀變成塊狀，且尺寸增大。

3)在60 ℃/h的較快冷卻速率下，形成L12結(jié)構(gòu)的Al3Er相，初生Al3Er相的輪廓平直，共晶組織呈不規(guī)則絮狀；在5 ℃/h較慢的冷卻速率下，形成hR20結(jié)構(gòu)的Al3Er相，其輪廓為波浪狀，共晶組織近似條狀。