稀土元素對鋁合金組織與性能影響的研究進展

馮嘯

摘 要：現如今，我國的經濟在迅猛發展，社會在不斷進步，稀土元素因為其有效、穩定的變質作用，被廣泛應用于多種金屬材料中。變質處理可以細化合金組織，從而提高合金的力學性能，不同的稀土元素對鋁合金的變質效果不同。重點介紹了幾種常用稀土元素對鋁合金顯微組織、力學性能的影響及其變質機理，綜述了現階段國內外稀土鋁合金的研究現狀，并闡述目前存在的問題，以及對未來研究進行了展望。

關鍵詞：稀土元素;鋁合金;顯微組織;力學性能

引言

鋁合金具有自身質量小、耐腐蝕性好、優良的導熱性、導電性等優點，廣泛應用于航天、汽車、電器、船舶、建筑、交通等工業部門，特別是近年來，我國航空航天、汽車、高鐵列車行業的快速發展，輕量化、大型化以及結構復雜的高質量產品需求量越來越大，鋁合金的需求也逐年增加。因此，與之相關的鋁合金制造工藝的研究也引起了國內外學者的關注。作為鋁合金產品制造的重要手段之一的鋁合金焊接的研究也成為了相關領域的研究熱點。目前國內外對鋁合金的焊接方法研究比較多，主要集中在攪拌摩擦焊、激光焊、超聲波焊、真空電子束焊和TIG焊等焊接方法。然而實際上有某些鋁合金零件的形狀比較復雜，所以應用以上的方法都有各自的局限性，采用熔焊方法焊接鋁合金容易產生裂紋、氣孔、變形等缺陷，采用攪拌摩擦焊受限于焊接接頭形式，而且在焊縫末尾有匙孔存在，因此近些年來大大增加了對鋁合金釬焊的研究。鋁及鋁合金的釬焊方法有很多種，其中包括火焰釬焊、爐中釬焊、空氣爐中釬焊、鹽浴釬焊和真空釬焊等。空氣爐中釬焊因其具有設備投資小、焊接工藝性良好、操作簡單等特點被廣泛應用。鋁合金釬焊所使用的釬料主要以Al-Si合金為主，有時也添加Cu，Zn，稀土等元素來滿足工藝性能的要求。稀土元素因為其獨特的性質被譽為金屬材料的維他命，因具有改善釬料潤濕性、晶粒細化、改變組織分布狀態、提高釬焊接頭力學性能和耐腐蝕性能等優點，所以在釬料改性中的應用越來越廣。在無鉛釬料中通過添加稀土元素能夠不同程度地提高釬料的性能，因此對于在鋁合金釬焊釬料中添加稀土元素的研究是非常具有意義的。

1稀土對鋁合金性能的影響

1.1稀土對鋁合金力學性能的影響

稀土采用價格相對便宜的鑭鈰合金，混合稀土中鐠釹含量與鑭鈰金屬含量比例分別大致為20%和80%左右。由于鐠釹大量應用于磁性材料中，造成分離后的鑭鈰合金大量過剩，從近幾年的價格趨勢判斷，價格維持在3萬RMB/噸左右，價格比銅還低，因此添加適量的鑭鈰金屬不會對鋁合金的成本造成壓力。實驗表明，添加適量鑭鈰金屬使鋁合金的硬度、強度、伸長率等力學性能有所提高。

1.2Y對鋁合金組織和性能的影響

向鋁合金中添加一定量的Y，對合金顯微組織有明顯的細化效果。將Al-10Y中間合金加入到6063鋁合金中，晶粒細化明顯。未添加Y的合金組織主要為粗大的、分布不均勻的柱狀晶。添加Y后，組織得到了細化，分布也變得均勻。向6063鋁合金中添加Y，發現Y十分活潑，能與合金中的Si相結合，從而降低了AlFeSi相中的Si含量，改善了AlFeSi相的形貌。當Y的添加量為0.1%～0.3%時，隨著Y的添加量增加，6063鋁合金的力學性能逐漸改善。當Y的添加量為0.3%時，合金的抗拉強度和伸長率分別達到154MPa和22.5%。

1.3稀土對鋁合金延展性的影響

鑄造鋁合金一般添加一定比例的硅，但硅的塑性相對較差，故此壓鑄常用鋁合金ADC12的延伸率只有3.5%，而含硅量低的6063鋁合金的延伸率則達到12%。王經濤等研究了稀土對合金超塑性的影響，不同合金有不同的稀土最佳添加量。

1.4Er對鋁合金組織和性能的影響

近年來，有研究表明，稀土Er對共晶Al-Si合金或過共晶Al-Si合金中Si相的形貌和尺寸有良好的變質效果。向A356合金中添加Er，當Er含量為0.3%時，α-Al晶粒的細化效果最好，對Si相的改性效果最好，將層片狀的Si相變為顆粒狀和短棒狀。當Er含量為0.4%時，合金發生了過變質，α-Al晶粒又變得粗大。研究表明，當Er的添加量為0.5%時，Al-20Si合金中的初生Si相從粗多角形、血小板狀和星形明顯變為細小的塊狀;共晶Si相形貌發生了變化，從粗血小板狀、針狀結構變為細珊瑚狀纖維結構。Er對鋁合金的細化機理與La相似，因為在α-Al晶粒形核和長大的過程中，Si和稀土原子大部分無法進入晶粒，主要富集在固-液界面前沿，所以導致成分過冷，阻礙初生α-Al的生長;Er與熔體中某些元素，生成一些特殊的化合物，提供非均質形核的核心。對比Er和La對A356合金的變質后的性能，發現Er對于亞共晶鋁合金的性能提升高于La，但La在提升鋁合金的導電性和耐腐蝕性方面強于Er。

1.5合金導電性能

隨著混合稀土元素含量增加，鋁合金的電導率出現先增加后減少的現象，當混合稀土添加的質量分數為0.2%時，電導率最高，為62.31%IACS。金屬導電理論認為，完整金屬晶體中由于原子不同引起的晶格畸變、晶界缺陷等越少，其電阻越小;雜質元素在金屬中以固溶態存在時，對導體電阻率的增大作用遠大于析出態的。在鋁合金中加入混合稀土La、Ce能減少鋁液中的氫含量，凈化鋁基體，細化晶粒，還能夠降低雜質元素Fe、Si等在基體中的固溶度，提高合金的導電性。另外，混合稀土元素加入到鋁合金中會在晶界形成稀土化合物，增加了電子通過的難度，降低合金導電率。混合稀土含量的增加還會導致部分稀土固溶于鋁合金晶體中，因而降低導電率。

2稀土鋁合金存在的問題及展望

我國已成為全球最大的鋁合金制造國，鋁合金的使用量也在逐年攀升，對力學性能等方面的要求也在不斷提高。向鋁合金中添加稀土元素可使晶粒細化，從而達到提升鋁合金力學性能的目的。但是由于稀土元素種類繁多，且關于稀土元素對合金的作用機理的了解還不夠透徹，限制了稀土元素在鋁合金中的應用。為了進一步研究稀土元素在鋁合金中的應用，可以從以下3個方面開展深入研究。（1）合理地使用已知的變質稀土元素，并深入考慮采用兩種或兩種以上稀土元素對鋁合金進行復合變質處理。（2）針對部分稀土元素的變質效果不理想的狀況，可以采用稀土元素與物理場復合處理的方法進一步改善合金組織和力學性能。（3）提高合金的力學性能不能局限于常溫力學性能，對材料在高溫條件下的性能有待進一步開展研究。

3結語

在鋁合金中添加稀土有利于細化晶粒、凈化成分、改善光澤和減少氣孔等作用，應用廉價的鑭鈰金屬依然能起到以上效果。作為稀土產量大國，稀土在我國鋁合金發展上等將有廣大的應用空間。

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