Al-Ce铸造铝合金的制备及其微观组织研究.pdf

窑分析与测试 窑第37卷第5期2023年9月天津化工Tianjin Chemical IndustryVol.37No.5Sep.2023Al-Ce 铸造铝合金的制备及其微观组织研究刘艺畅袁陈义胜袁闫永旺袁邢博岩（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古 包头 014017）摘要院 本文以不同 Ce 含量的 Al-Ce 合金为研究对象，研究不同 Ce 含量对合金显微组织的影响规律，优化出综合性能最高的 Al-Ce 合金配比。结果表明，随着 Ce 含量的不断增加，Al11Ce3衍射峰强度不断增加，衍射峰逐渐宽化，Al11Ce3相在铝基体上分布越来越均匀，局部偏聚现象逐渐消失，形成宏观组织较均匀的组织形貌。关键词院Al-Ce 合金；铸造铝合金；成分设计；微观组织doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2023.05.013中图分类号院 TQ016文献标志码院 A文章编号院1008-1267(2023)05-0046-03收稿日期：2023-03-16近年来袁我国十分重视对交通领域的绿色发展袁交通工具轻量化变得尤为重要遥 由于铝合金具有轻质尧易加工尧抗腐蚀等卓越特性袁其强度远胜于许多合金钢袁是一种理想的结构材料1遥 Al-Re 体系被认为是一种新型的二元共晶体系袁这归因于 Re 在 Al 中较慢的扩散系数与极低的固溶度袁使得 Al-Re 体系表现出极佳的高温稳定性2遥Ding 等3运用第一性原理结合密度泛函理论研究出 Al11Ce3具有较高的稳定性曰Sims 等4研究了 Al-Ce 合金发现袁铸态下 Al-12Ce 中会呈现出条带状的共晶组织袁 经过 T6 热处理后袁Al-Ce 合金的物相组成未出现任何变化袁这表明 Al-Ce 合金具有良好的热稳定性5曰Sims 等6通过实验证明袁不同成分下的 Al-Ce 基合金均具有极高的可铸造性袁 这些合金可完整填充至热裂模具中袁没有观察到宏观缺陷袁并且对 Al-Ce 合金的变形性能进行了详细研究袁发现这种合金在变形过程中存在弹性变形尧屈服过渡阶段和破坏性的塑性变形三个阶段遥本实验制备了五种不同含量的 Al-Ce 合金来观察其微观组织袁以期为稀土金属和铝合金的发展提供有益参考并扩大其应用范围遥1实验材料及方法1.1原材料实验所用材料为工业高纯铝尧Al-20Ce 中间合金遥 用上述原料制备 Ce 含量分别为 6%尧8%尧10%尧12%和 14%的 Al-Ce 合金遥1.2材料制备利用线切割机将合金原料切成尺寸均匀的小块袁利用砂纸打磨除去合金表面的氧化层和杂质袁按照理论值称量配制所需的高纯铝尧Al-20Ce合金遥 实验合金熔炼在电阻炉中进行袁具体的熔炼工艺步骤如下遥1援2援1熔炼铝块将工业纯铝放入坩埚袁 炉温升至 750780 益保温 30 min袁至其完全熔化遥1援2援2加入稀土待高纯铝完全熔化后袁 加入 Al-Ce 中间合金袁并在其表面撒上一层覆盖剂渊以 NaCl 和 KCl为主要成分冤袁待中间合金完全熔化后袁进行搅拌使其更加均匀袁保温 20min 后袁获得均值合金溶液遥1援2援3精炼使用六氯乙烷精炼剂进行除气袁并对溶液充第 37 卷第 5 期分搅拌袁撇去表面浮渣后袁溶液保温 30 min遥1援2援4浇注使用手持热电偶测量溶液温度袁当溶液温度为 720 益时出炉袁 将溶液快速浇注到预热温度为200 益的金属型模具中遥1.3X-射线衍射分析X-射线衍射仪以 Cu 靶作为 X 射线光源袁测试角度为 1090 毅袁扫描速度为 7 毅/min遥 试样使用电动打磨机研制粉末并用 400 目筛子过筛后取得遥 利用晶体学软件对 XRD 图谱分析袁 通过 XRD谱线和标准 PDF 卡片对比来标定所测合金的物相遥1.4扫描电镜观察本次实验采用扫描电镜渊JEOL-JSM-6510冤利用二次电子成像对合金样品进行微观组织观察袁并使用自带的能谱仪对合金各个物相中的化学元素含量进行定性和定量分析遥2实验结果与分析本实验研究所选五种 Ce 的含量都为共晶点附近袁可以直观对应 Al-Ce 合金亚共晶尧共晶和过共晶的区域遥 Al-20Ce 合金的熔点低于 700 益袁因此本实验在 750 益时 Al-20Ce 合金完全熔化袁可以与工业高纯铝制备较为均匀的低含量 Al-Ce合金遥 所以在此温度下制备五种不同 Ce 含量的Al-Ce 合金袁其析出相均为 Al11Ce3遥2.1Al-Ce 合金成分分析将实验制备的 Ce 含量分别为 6%尧8%尧10%尧12%和 14%的 Al-Ce 合金进行 XRD 表征遥 Al-Ce合金中当 Ce 含量偏低时袁Al 的衍射峰较为明显且主峰较为尖锐袁 这可能是因为 Ce 含量的添加较少袁合金基体中 Ce 的作用不明显袁主要体现 Al固有的特性遥Al-10%Ce 合金与 Al-8%Ce 合金相比袁Al 的衍射峰出现了极小角度的偏移袁这种情况的发生可能是因为 Ce 的添加使 Al 晶格发生了畸变所致袁因为 Ce 比 Al 直径大袁当 Ce 加入晶格时会使原有的晶格发生扭曲拉伸遥 随着 Ce 含量的不断增加袁Al 的衍射峰逐渐减弱袁Al11Ce3衍射峰强度不断增加袁并且衍射峰逐渐宽化袁这是因为 Al11Ce3的数量增加袁使凝固过程中形核核心增加袁铝合金晶粒细化所致7遥2.2Al-Ce 合金 SEM 及 EDS 分析铸造 Al-Ce 合金存在形状各异的第二相袁因此需要对合金的铸态组织进行 SEM 和 EDS 分析遥 用能谱对 Al-12%Ce 合金基体上的灰白色颗粒进行多点成分分析袁 测定其分析比为 CAl颐CCe=渊1112冤颐3袁此成分为Al11Ce3袁与XRD成分分析一致遥Al-Ce 中间合金加入纯铝中后会导致微小颗粒状 Al11Ce3在铝熔体中弥散袁Al11Ce3在纯铝中的固溶度极小袁分配系数远小于 18遥 在纯铝晶核形成和长大过程中,由于溶质再分配袁 Ce 在 琢-Al 中的最大固溶度为 0.05%袁导致 Ce 会富集在固/液界面处袁从而使得此处的溶质浓度提高袁因此 Ce 会在合金凝固的过程中逐渐扩散到凝固前沿袁这个过程伴随着 琢-Al 的形成袁 因此在靠近 琢-Al 的界面处具有合金中最高的溶质浓度遥 Ce 的半径大于 Al的半径袁如果进入纯铝晶格内袁就势必引起极大的晶格畸变袁使系统能量增加袁为了保持系统的自由能最低袁Al11Ce3只能向原子不规则的晶界上富集9遥但是 Ce 含量过少或过多都能达到上述效果遥 Ce 含量较多袁会导致 Al11Ce3聚集成团袁减少了细小颗粒状 Al11Ce3在固/液界面前沿的富集量袁过冷作用减小袁使组织粗化袁还会出现金属间化合物的沉淀和偏析现象遥 因为纯铝中含有一些Fe尧Si 等微量杂质袁 常以粗大片状或骨骼状的富Fe渊Si冤杂质相渊金属间化合物冤形式存在袁富 Fe渊Si冤杂质相在纯铝中的固溶度极小袁在共晶温度时仅为 0.052%袁直接影响材料的强度尧塑韧性及其加工成形性等10遥当 Ce 含量为 6%尧8%时袁表现为亚共晶组织袁其中除了共晶区域外袁 还存在先凝固的原共晶 Al枝晶袁Al-6%Ce 和 Al-8%Ce 中的 Al11Ce3相主要以聚集的条棒状和少量较小的块状存在袁如图 1(a)所刘艺畅等：Al-Ce铸造铝合金的制备及其微观组织研究47天津化工2023 年 9 月示遥 当 Ce 含量达到 12%时袁显微组织为过共晶袁Al11Ce3相偏聚现象大幅度减弱袁出现了很多尺寸较大的块状和条棒状的共晶 Al11Ce3相袁如图 1渊b冤所示遥 对于过共晶成分渊Al-12%Ce尧Al-14%Ce冤袁共晶 Al11Ce3相的形状受 Al11Ce3共晶化合物的影响袁Al11Ce3先凝固袁 导致共晶 Al11Ce3相的形貌从片层向更复杂的截断形状偏离遥 随着 Ce 含量的不断提高袁Al11Ce3相在铝基体上分布越来越散袁并且局部偏聚现象逐渐消失袁这样的中间合金成分分布比较均匀袁发生成分偏析的可能性较小遥图 1Al-Ce 合金的 SEM 图3结论本文研究了不同成分配比的 Al-Ce 合金的成分分析及微观组织遥 1冤Al-Ce 合金中 Al 的衍射峰较为明显且主峰较为尖锐曰Al-10%Ce 合金与Al-8%Ce 合金的 Al 衍射峰出现了极小角度的偏移遥 随着 Ce 含量的不断增加袁Al 的衍射峰逐渐减弱袁Al11Ce3衍射峰强度不断增加且衍射峰逐渐宽化遥 用能谱对 Al-12%Ce 合金基体上的灰白色颗粒进行多点成分分析袁 测定其分析比为 CAl颐CCe=渊1112冤颐3袁证明是 Al11Ce3遥 2冤当 Ce 含量为 6%尧8%时表现为亚共晶组织袁 其中除了共晶区域外袁还存在先凝固的原共晶 Al 枝晶袁 Al11Ce3相以细小条棒状和小块状偏聚存在遥 当 Ce 含量达到10%时袁显微组织为全共晶袁Al11Ce3相偏聚现象大幅度减弱袁出现 C 形 Al11Ce3袁块状形貌变大遥 对于过共晶成分(Al-12%Ce尧Al-14%Ce)袁共晶 Al11Ce3相的形状受 Al11Ce3共晶化合物的影响袁Al11Ce3先凝固袁导致共晶 Al11Ce3相的形貌从片层向更复杂的截断形状偏离遥 随着 Ce 含量的不断提高袁Al11Ce3相在铝基体上分布得越来越散袁局部偏聚现象逐渐消失袁这样的中间合金成分分布比较均匀袁发生成分偏析的可能性较小遥参考文献：1唐见茂.航空航天材料发展现状及前景J.航天器环境工程,2013,30(2):115-121.2窦学宏.铈及其应用发展J.稀土信息,2005(1):28-29.3DING W J,YI J X,CHEN P,et al.Elastic properties and electronicstructures of typical Al-Ce structures from first-principles calcula-tionsJ.Solid state sciences,2012,14(5):555-561.4SIMS Z C,WEISS D,MCCALL S K,et al.Cerium-based,inter-metallic-strengthenedaluminumcastingalloy:high-volumeco-product developmentJ.Jom,2016,68:1940-1947.5WEISS D.Improved high-temperature aluminum alloys containingceriumJ.Journal of materials engineering and performance,2019,28(4):1903-1908.6SIMS Z C,RIOS O R,WEISS D,et al.High performance alu-minum-cerium alloys for high-temperature applicationsJ.Materialshorizons,2017,4(6):1070-1078.7易幻.Al-Ce 及 Al-Mg-Ce 合金燃料的热性能研究D.武汉:华中科技大学,2016.8李星.镧铈添加对 A356 铝合金组织及力学性能的影响D.包头:内蒙古科技大学,2022.9傅高升,孙锋山,任立英,等.微量稀土对工业纯铝中杂质相的变质行为J.中国稀土学报,2001,19(2):133-137.10马伯江,刘春廷,王为波.铝铈合金细化高纯铝J.青岛科技大学学报(自然科学版),2007,28(2):146-148.(a)Al-6Ce(b)Al-12Ce48