稀土Er對A356鋁合金微觀組織和力學性能的影響

李曉燕，盧雅琳,，王 健，周東帥，楊 林

(1 江蘇省高性能材料綠色成形技術與裝備重點建設實驗室，江蘇 常州 213001；2 江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001)

A356鋁合金具有良好的綜合性能，其鑄造流動性好、氣密性小、收縮率小和熱裂傾向性小，有亞共晶成分，具有較寬的固液共存區，在航空、汽車等領域得到了廣泛應用[1-3]。A356鋁合金中初晶α-Al相、共晶Si形貌在很大程度上決定了合金的力學性能[4]。在鑄造條件下，A356鋁合金中初生α-Al枝晶較粗大，共晶Si容易形成粗大的針片狀，這些粗大的共晶Si嚴重割裂了基體，使得合金的強度和塑性顯著降低。研究表明[5-8]，稀土不僅能顯著細化初生α-Al相，而且對共晶Si有較好的變質作用。劉小梅等[9]研究發現，經稀土La處理過的A356鋁合金中初生α-Al晶粒細小，分布均勻，幾乎沒有發達枝晶。張秀梅等[10]研究認為，稀土元素Ce改善了A356鋁合金的枝晶組織及共晶硅形貌，使得晶粒細化，提高了合金的力學性能。黃吉等[11]通過加入稀土Sc使A356鋁合金中的初生α-Al相細化。當Sc含量為0.2%(質量分數，下同)時，對A356合金的初生α-Al相細化效果最理想。Sc變質效果強，其次是La，Ce，但Sc是戰略性元素，價格昂貴。研究發現，將微量稀土元素Er添加到鋁及其合金中，不僅可以細化鑄態晶粒，而且能夠明顯抑制再結晶。Er還能提高鋁及其合金的強度，改善其耐蝕性和焊接性。另外，Er元素在鋁及其合金中具有與Sc元素相似的作用，而其價格卻比Sc便宜很多。因此本課題選用稀土Er對A356合金變質，研究Er對A356合金的微觀組織和力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗用鋁合金為商用A356鋁合金，其化學成分組成如表1所示。

表1 A356鋁合金化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of A356 aluminum alloy (mass fraction/%)

制備稀土鋁合金時，首先將坩堝預熱到500～550℃再放入A356鋁合金進行加熱，升溫至800℃熔化爐料，此時，添加不同含量的Al-Er中間合金，用鐘罩將中間合金壓入溶液中，并用石墨棒不停攪拌，使稀土分布均勻；待熔體溫度降至700～750℃時，加入除氣除渣劑，靜置10min，澆注到預熱溫度為200℃的金屬模具中，可獲得不同含量的稀土鋁合金。

試樣經磨樣、拋光后，用5%HF水溶液腐蝕試樣，在Nikon-MR5000金相顯微鏡和Sigma 500掃描電鏡上進行微觀組織觀察，并在WDW電子萬能材料試驗機上進行力學性能測試。

2 結果與分析

2.1 稀土Er元素對相及相變溫度的影響

圖1為A356鋁合金的XRD圖譜。從圖1可以看出，A356鋁合金主要由Al，Si相組成，添加稀土元素Er后，出現了Al3Er相。

圖1 A356鋁合金XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of A356 aluminum alloy

圖2為A356鋁合金添加稀土元素Er前后的DSC曲線。由圖2中A356合金曲線可以看出，未添加稀土元素時，液相溫度大于625℃，曲線處于平緩，合金中沒有相析出。根據Al-Er二元合金相圖可知，當共晶溫度為655℃，共晶點成分約為6%，存在一共晶體Al-Al3Er[12-14]。從圖2中A356+Er合金曲線可以看出，曲線在A點又出現峰值，溫度降至A點651.8℃時，發生共晶反應：L→α-Al+Al3Er，說明合金中析出Al3Er相，與XRD實驗結果一致。由于A356合金凝固溫度范圍為560～630℃，因此發生反應時，合金處于液態，共晶反應產生的α-Al可作為合金初生相的形核核心，從而使α-Al得到細化。

圖2 A356鋁合金的DSC曲線Fig.2 DSC curves of A356 aluminum alloy

圖2中B點為α-Al形核開始溫度，當溫度降至B點時，發生吸熱反應，此時α-Al相開始析出。從圖中可以看出，添加稀土Er元素后，α-Al形核溫度由625.0℃降低到620.7℃，α-Al形核溫度的降低說明Er的加入抑制了α-Al的形核。此外，圖2稀土的加入使得DSC曲線共晶峰左移。當溫度降至C點時，發生共晶反應：L→α-Al+Si，硅相開始析出，添加稀土Er后，共晶點溫度由570.3℃下降到566.4℃，稀土的加入使得共晶硅的形核溫度降低，生長速率減小，難以形成粗大組織，起到較好的變質效果。

2.2 稀土Er對A356合金組織的影響

2.2.1 稀土Er對A356合金α-Al相的細化

圖3為不同Er含量時A356鋁合金的微觀組織。從圖3中可以看出， A356合金組織是由白色的初生α-Al相和黑色的共晶硅相組成的。圖3(a)為未添加Er的A356鋁合金。可以看出α-Al呈現出粗大枝晶狀組織，分布不均勻。圖3(b)～(f)為不同Er含量下A356鋁合金的微觀組織。可以看出，稀土Er的加入，使得α-Al尺寸和形貌發生了顯著變化。隨著Er含量的增加，粗大的枝晶組織得到細化，二次枝晶間距減小，分布也較均勻。當稀土含量達到0.4%時，α-Al細化效果明顯，繼續增加Er含量，細化效果變化不顯著。

圖3 Er含量對A356鋁合金微觀組織的影響(a)0.0%Er;(b)0.2%Er;(c)0.4%Er;(d)0.5%Er;(e)0.6%Er;(f)0.7%ErFig.3 Effect of Er content on the microstructures of A356 aluminum alloys (a)0.0%Er;(b)0.2%Er;(c)0.4%Er;(d)0.5%Er;(e)0.6%Er;(f)0.7%Er

圖4為二次枝晶間距隨稀土Er含量的變化曲線。可以看出，未添加Er時，二次枝晶間距為53.6μm，隨著Er的加入，間距顯著減小。當Er含量為0.2%時，二次枝晶間距減小到26.5μm。當Er含量為0.4%時，晶粒細化效果十分顯著，二次枝晶間距降低到17.5μm。但繼續增大Er含量，間距變化趨勢趨于平緩，Er對二次枝晶間距的影響不大。由此可見，當Er含量達到0.4%時，稀土元素對二次枝晶間距的影響較為顯著。

圖4 二次枝晶間距隨Er含量的變化曲線Fig.4 Curve of secondary dendrite arm spacing with Er content

2.2.2 稀土Er對A356鋁合金中共晶硅的變質作用

圖5為不同Er含量A356鋁合金中的共晶硅形貌。由圖5(a)可以看出，未添加Er時，共晶硅呈粗大的條狀或塊狀，分布很不均勻，硅顆粒平均尺寸為22.7μm。隨著稀土Er含量的增加，共晶硅形貌和尺寸得到不同程度的改善，從初始的條狀、板條狀逐步轉變為短棒或圓粒狀，如圖5(b)～(f)所示。

添加0.2%Er后，共晶硅有所細化，平均尺寸減小到14.3μm，當Er含量增至0.4%時，共晶組織中的硅顆粒相基本演化為短桿狀或粒狀，平均尺寸為7.6μm，細化效果十分明顯，當合金中Er含量繼續增加至0.5%時，共晶硅完全變質，呈點狀和細小纖維狀，分布更均勻，平均尺寸減小到5.7μm。當Er含量超過0.5%時，組織中出現了部分針狀析出相A，對其進行掃描及能譜分析可知(如圖6)，該針狀析出物為含Al，Er的物質，結合XRD分析可知，針狀析出物為Al3Er相。

圖5 不同Er含量對A356鋁合金中Si相的影響(a)0.0%Er;(b)0.2%Er;(c)0.4%Er;(d)0.5%Er;(e)0.6%Er;(f)0.7%ErFig.5 Effect of Er content on Si phase of A356 aluminum alloys(a)0.0%Er;(b)0.2%Er;(c)0.4%Er;(d)0.5%Er;(e)0.6%Er;(f)0.7%Er

圖6 A356+Er合金掃描照片(a)及EDS能譜分析(b)Fig.6 SEM image (a) and EDS analysis (b) of A356+Er alloys

圖7為稀土Er對共晶硅寬徑比的影響，寬徑比越小，表明晶粒越圓整。從圖中可以看出，寬徑比呈現出先降后升的趨勢，未添加稀土時，共晶硅為粗大的樹枝狀，寬徑比為5.46，添加稀土后，共晶硅發生變質，越來越細小，在含量為0.4%時，寬徑比減小到1.26，顆粒圓整。但稀土含量繼續增大時，寬徑比隨之增大，這主要是由于組織中出現了如圖5(e)，(f)中細長的針狀Al3Er相。

圖7 不同Er含量對共晶Si寬徑比的影響Fig.7 Effect of Er content on the aspect ratio of eutectic Si

2.3 稀土Er對A356鋁合金力學性能的影響

圖8為不同Er含量下A356鋁合金的力學性能。從圖8可以看出，未添加Er的A356合金，其抗拉強度僅為147.3MPa，伸長率為4.7%；隨著稀土Er的增加，材料的抗拉強度和伸長率逐漸增加。當Er添加量增加到0.4%時，合金抗拉強度達到最大值169.5MPa，提高了15.1%，伸長率提高了29.8%。但當Er含量超過0.4%時，抗拉強度和伸長率稍有下降，這是由于α-Al晶粒尺寸有所增大，共晶硅形貌較之前有所變差(寬徑比增大)，導致合金的力學性能有所下降。綜合分析可知，當稀土元素Er含量為0.4%時，A356合金的綜合性能較優。

2.4 分析與討論

A356鋁合金在凝固過程中首先析出α-Al相，由于稀土Er原子半徑比α-Al大，在α-Al中固溶度有限，因此在凝固過程中，稀土原子不斷在固液界面的凝固前沿上富集，引起成分過冷，這種表面富集的稀土元素層降低了α-Al的生長速率，阻礙其生長，減小了二次枝晶間距，細化了晶粒。當稀土Er加入到鋁熔體中，形成Al-Al3Er共晶體，共晶溫度為655℃，大于A356的液相線溫度615℃，當鋁熔體開始凝固時，共晶體Al-Al3Er中的α-Al成為結晶的晶核，從而起到細化晶粒和二次枝晶的作用[15]。

隨著凝固過程不斷進行，稀土Er元素在析出的硅相前沿形成成分過冷，吸附在硅相的生長孿晶上，抑制了硅相的原生長方向，使得生長方向發生改變[16]。吸附在硅相孿晶溝槽中的稀土原子并不全部隨固液界面的推移而推移 ,而是有一部分嵌入硅相晶格中成為異類原子缺陷，引起晶格畸變。這種畸變會使硅在更多的方向產生孿晶，使共晶硅由粗大的板條狀轉變為細小的圓粒狀、短棒狀，具有明顯的變質作用。由于稀土Er元素阻礙了硅相的生長，引起共晶硅產生多重孿晶，孿晶數量的增加使硅的尺寸發生變化，板片狀硅晶體變成短棒狀共晶硅，達到變質效果[17-18]。

稀土Er在A356鋁合金中主要分布在α-Al相和晶界處，使枝晶組織和共晶硅相細化[19]。當稀土Er含量較低時，元素Er主要固溶在基體中，起固溶強化作用，或是偏聚在晶界處，對晶界起強化作用，隨著Er含量的增加，合金中析出細小的Er 相，對合金起彌散強化作用，當稀土Er含量高于0.4%后，析出相隨著Er含量的增加而長大，并在晶粒內或晶界析出，晶界的析出相導致晶界強度降低，使合金的強度下降[20]。加入稀土Er后，α-Al相得到有效細化，減小了二次枝晶間距，同時粗大的硅相轉變為細小的顆粒狀，對基體的割裂作用減小，提高了拉伸性能。綜上分析，稀土Er含量在一定范圍內能起到細化晶粒的作用，以固溶強化、彌散強化的方式改善合金的性能，當稀土Er含量為0.4%時，對A356合金的細化效果較佳。

3 結論

(1)稀土Er對A356合金中初生α-Al相有細化作用。加入Er后能使A356合金的α-Al分布均勻，二次枝晶間距減小，枝晶臂細化。二次枝晶間距從53.6μm減小到17.5μm。

(2) 稀土Er是A356合金的一種優良變質劑。稀土Er對A356合金中共晶Si的形態有變質作用，共晶Si由粗大的針片狀變為圓粒狀、短棒狀，硅顆粒平均尺寸從22.7μm減小到5.7μm。

(3)合適的稀土Er能夠提高A356合金的力學性能。當Er含量為0.4%時，合金抗拉強度和伸長率分別提高了15.1%和29.8%。但當繼續增加Er含量時，由于α-Al尺寸增大，共晶硅寬徑比增大，導致合金的力學性能有所下降。對于A356合金而言，合適的稀土Er含量為0.4%。

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