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 材料與冶金學院，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 材料與冶金學院，貴陽 550025)

摘要：通過微觀分析及力學性能測試等方法，研究了添加稀土元素鈧對Al-10Mg合金(ZL301合金)顯微組織及力學性能的影響。結果表明，加入適量的鈧元素后明顯細化了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435 ℃×16 h固溶處理后，Al3Mg2相基本溶解，稀土化合物Al3Sc相熱穩定性較高并未溶解，合金抗拉強度進一步得到提高。當鈧元素的添加含量為0.4%時，Al-10Mg合金綜合性能最為優良。

關鍵詞：稀土Sc；Al-10Mg合金；顯微組織；力學性能

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等優點，被廣泛應用于制造在燃氣、海水等腐蝕介質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、細晶化和均質化是提高合金綜合性能的基礎。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化機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，為進一步開發出具有更為優良性能的鋁鎂合金提供實驗及理論依據。

1實驗材料和實驗方法

在純鋁、純鎂的基礎上，以Al-Sc中間合金的形式加入鈧，配制4種不同鈧添加量(質量百分數分別為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)進行精煉，扒渣后澆注到預熱至260 ℃左右的鋼模中，得到直徑為20 mm的鑄態試棒，將鑄態試棒在箱式電阻爐中進行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測定試樣的抗拉強度及延伸率，拉伸速率為2 mm/min；切取金相試樣，磨制并用體積分數為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實驗結果

2.1力學性能分析

圖2為不同添加量鈧及固溶處理對Al-10Mg合金的力學性能影響的測試結果?？梢钥闯觯斺偟奶砑恿吭?.2%～0.4%之間時，鑄態及固溶態Al-10Mg合金的抗拉強度不斷增加，延伸率卻變化平緩，當鈧的添加量達到0.4%時，表現出良好的綜合拉伸性能；進一步增大稀土鈧的添加量，達到0.6%時，Al-10Mg合金的抗拉強度、延伸率趨于降低。可見，適當添加量的稀土鈧及固溶處理能夠使Al-10Mg合金得到有效強化。

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，且枝晶較為發達(圖3(a))；添加0.2%的稀土鈧后，合金晶粒有所細化，但細化效果一般，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合金組織明顯細化，晶界析出相增多，且晶粒變得細小(圖3(c)、(d))。經過435 ℃×16 h固溶處理、水淬后，鑄態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)進行微區成分能譜分析：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，文獻表明[10]，該析出相為Al3Sc相。當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在晶界或靠近晶界處彌散分布(圖5(a)，(b))；當Sc的添加量達到0.6%時，Al3Sc相的尺寸及數量增大，并且在晶界區域密集分布(圖5(c))。

圖5　固溶態不同鈧含量Al-10Mg合金的微觀形貌

3分析與討論

由Al-10Mg合金力學性能測試結果(圖2)，添加適量的稀土鈧能不同程度提高鑄態及固溶態Al-10Mg合金的抗拉強度和延伸率。Al-10Mg合金的力學性能主要取決于其顯微組織特性，鑄態Al-10Mg合金的力學性能較低，這與鑄態合金中晶粒較為粗大、枝晶發達有關，當加入適量的稀土鈧后，其力學性能有所改善，而經過435 ℃×16 h固溶處理后，其力學性能又得到提升。分析可知，首先，稀土鈧能夠細化鑄態Al-10Mg合金晶粒，產生細晶強化作用，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，進而促進基體晶粒均勻形核，細化了合金晶粒[11-12]；其次，Al3Sc相的形態及分布也對Al-10Mg合金力學性能存在一定影響，添加適量稀土鈧會形成一定數量的細小顆粒狀或短桿狀Al3Sc相，沿晶界彌散分布(圖4(b))，該類形態的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相的尺寸及數量增大，且在晶界區域密集分布(圖4(c))，根據晶界強化理論，粗大的高熔點物相在晶界連續分布將降低晶界結合強度，導致稀土對合金的強化作用減弱；而適當的固溶處理工藝(435 ℃×16 h)，能夠使析出相溶解到α-Al基體中，發生點陣畸變，產生固溶強化作用，提高了Al-10Mg合金的力學性能。

4結論

(1)稀土鈧通過對晶粒的細化作用，提高了Al-10Mg合金的力學性能；在固溶處理工藝(435 ℃×16 h)條件下，當稀土鈧的添加量為0.4%時，Al-10Mg合金的力學性能最為優良，抗拉強度達到249 MPa，延伸率達到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); 貴州大學大學生創新訓練資助項目(2014003)

作者簡介：黃鑫(1990-)，男，貴州畢節人，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

文獻標識碼：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，FAN 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