高性能Al-5Mg-2Si-xCe合金的制備及其力學(xué)性能研究*

李省委，林宗德

(閩南理工學(xué)院 工業(yè)機器人測控與模具快速制造福建省高校重點實驗室，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)點被廣泛應(yīng)用于各個工業(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性能參數(shù)，因而鋁合金開始進入人們的視野[1-5]。近幾年來，鋁合金憑借其良好的性能已廣泛應(yīng)用于航天航空、計算機電子產(chǎn)品、汽車制造等行業(yè)，與此同時，對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改變合金的組成成分或改變合金的熱處理溫度這兩點，其中，稀土元素由于在合金中的固溶度較小、易發(fā)生成分過冷等優(yōu)點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，且較為穩(wěn)定地存在于合金的晶界處，不僅可以實現(xiàn)細(xì)化合金的晶粒，還可以改善合金的高溫性能，增強合金的流動性和抗蠕變性能。近年來，對于稀土元素?fù)诫s鋁合金的研究越來越多[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與晶界運動，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。張樹玲等[19]將稀土Y摻入再生鋁合金ADC12，并對其組織形貌和力學(xué)性能進行了分析，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。因此，本文選擇Al-5Mg-2Si系合金為基體合金，通過改變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，并對合金的組織性能、斷口形貌及力學(xué)性能進行了分析，力圖探討稀土Ce對合金的強化機理，為提高Al-5Mg-2Si系合金的力學(xué)性能、擴大其應(yīng)用范圍提供理論和實驗依據(jù)。

1 實驗

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ICP測試的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%)。在計算原材料質(zhì)量時，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 樣品測試及表征

對制備的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金試樣按照要求進行機械加工，然后進行測試及表征。拉伸性能測試：在室溫下采用CMT5105電子萬能試驗機進行拉伸性能測試，試樣的拉伸速度為1 mm/min；X射線衍射測試(XRD)：采用日本島津公司XRD-6100X射線粉末衍射儀，波長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EDAX GENENIS 4000 X射線能譜儀對樣品的結(jié)構(gòu)和組成進行分析。

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。說明Ce具有促進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)，會擬制晶粒的長大，從而達到了細(xì)化晶粒的效果。對比圖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，α-Al相有長大的趨勢，形狀也變得細(xì)長，這是因為隨著Ce摻量的逐漸增大，當(dāng)達到飽和狀態(tài)后，部分Ce由于過剩而存留在合金基體內(nèi)，過剩的Ce與主要組成元素Al和Mg生成中間相，從而消耗了主要相，對基體產(chǎn)生了弱化作用[20]。此外，過量的Ce摻雜有讓枝晶長大的趨勢，將導(dǎo)致合金的抗拉強度和延伸率降低。

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中對應(yīng)點(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中對應(yīng)點(a、b和c )的EDS成分含量

2.3 力學(xué)性能分析

采用CMT5105電子萬能試驗機進行拉伸實驗。拉伸試樣通過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，對每種材料拉伸3次重復(fù)實驗。

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)合金的抗拉強度、原始標(biāo)距、斷后標(biāo)距和延伸率進行測量計算后匯總，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)合金的抗拉強度和延伸率隨著Ce摻量增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當(dāng)Ce摻量為0時，合金的抗拉強度和延伸率分別為105.70 MPa和0.76%；當(dāng)Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強度和延伸率達到最大值，分別為133.70 MPa和1.64%，相比Ce摻量為0時，分別增長了26.49%和115.79%；當(dāng)Ce摻量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強度和延伸率出現(xiàn)下降的趨勢，分別為130.20 MPa和1.20%，相比Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，分別下降了2.62%和26.83%?？芍m量的稀土Ce摻雜可以提高合金的抗拉強度和延伸率，當(dāng)Ce摻量過多時，合金的抗拉強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，合金斷裂面基本沒有完整的晶粒存在，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。這是因為未摻雜稀土Ce的合金晶粒尺寸較大，而大尺寸晶粒在參與拉伸過程中更易被撕裂，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的摻量過剩時，會與Al、Mg等生成中間相，這些中間相會附著在晶界上，并對晶面產(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，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，說明Ce具有促進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度和延伸率，當(dāng)Ce摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強度和延伸率均達到最佳，繼續(xù)增加Ce摻量時，合金的抗拉強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。