Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

安勇良， 尹冬松， 譚志強(qiáng)

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

安勇良， 尹冬松， 譚志強(qiáng)

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為提高Al-Mg合金的力學(xué)性能，采用電阻爐熔煉制備Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg-Gd合金，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和硬度計(jì)等研究Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的Gd能夠細(xì)化鑄態(tài)Al-Mg合金的晶粒，并形成顆粒狀或短桿狀的Al-Gd化合物，提高了合金抗拉強(qiáng)度和硬度。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度227 MPa和硬度83.0 MPa為最高。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%后，由于Al-Gd化合物形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Ы邕B續(xù)分布的粗大網(wǎng)絡(luò)狀，Gd對(duì)Al-Mg合金的強(qiáng)化效果減弱，使合金抗拉強(qiáng)度和硬度分別下降至183和79.9 MPa。

Al-Mg； Gd； 微觀組織； 力學(xué)性能

稀土在鋁合金中應(yīng)用很廣，常見(jiàn)的有La、Gd、Ce等，其對(duì)鋁合金組織和力學(xué)性能具有非常重要的作用，如稀土具有凈化作用，能夠減少鋁熔體中的氫含量、夾渣和有害氣體、雜質(zhì)；稀土還具有變質(zhì)作用，能夠有效細(xì)化晶粒和枝晶，這是因?yàn)橄⊥猎乜捎行ё柚咕Я５纳L(zhǎng)，提高形核效率。近年，徐佐等[1]發(fā)現(xiàn)在Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的A356.2鋁合金中，僅需要0.05%稀土元素就可以達(dá)到較好的細(xì)化變質(zhì)效果。而且Mg與稀土的混合添加可以改善Fe相形貌，減少針狀Fe相對(duì)性能的不利影響。筆者[2]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%，Al-Cu-Gd合金顯微組織得到細(xì)化，同時(shí)合金的硬度和抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率提高；李廳等[3]以混合稀土元素La和Ce作為變質(zhì)劑，探討稀土變質(zhì)對(duì)合金鑄件微觀組織和宏觀機(jī)械性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)0.3%變質(zhì)劑使鋁合金ADC12合金的微觀組織得到細(xì)化且顯微硬度提高，抵抗塑性變形能力強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度大。高士學(xué)等[4]發(fā)現(xiàn)稀土La對(duì) α-Al 相的細(xì)化和 Si 相的變質(zhì)都起到明顯作用。稀土元素還可以在鋁合金表面形成稀土轉(zhuǎn)化膜提高鋁合金的耐蝕能力。Feng Y等[5]發(fā)現(xiàn)向鋁合金Al-Mg-Sn-Hg中添加0.05%Ce，鋁合金的耐蝕性能達(dá)到最佳。同時(shí)，劉政等[6]發(fā)現(xiàn)電磁攪拌也對(duì)稀土在鋁合金中的均勻分布起了很大作用。因此，筆者采用稀土中間合金Mg-30%Gd的形式，通過(guò)熔鑄法來(lái)制備Al-Mg-Gd合金，分析稀土Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織以及力學(xué)性能的影響，為稀土元素應(yīng)用于Al-Mg合金提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用SG-5-12坩堝電阻爐熔煉。將切好的鋁塊放入石墨坩堝中，并放入熔煉爐中加熱至750 ℃，直至充分熔化，再將已切好的Mg塊用金屬罩壓入金屬液。待Mg塊在金屬液中充分熔化后，加入不同質(zhì)量的Mg-30%Gd合金，750 ℃保溫15 min使其在金屬液中充分熔化、擴(kuò)散，并加入六氯乙烷精煉除去金屬液中的氣體。熔煉結(jié)束后扒渣將金屬液澆入普通砂型中，自然冷卻直至取出所得鑄件。各試樣經(jīng)200#、400#、1000#、2000#水砂紙打磨并拋光，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF水溶液作為腐蝕劑制備金相試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)試樣不進(jìn)行腐蝕并采用了ASTM E-8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣。各試樣按合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別記作Al-10Mg、Al-10Mg-0.1Gd、Al-10Mg-0.3Gd 、Al-10Mg-0.5Gd。樣品的顯微組織采用Zeiss Axio Lab.A1蔡司金相顯微鏡和MX2600FE型掃描電子顯微鏡觀察，在HB-3000B布氏硬度計(jì)和CMT5305萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1顯微組織

2.1.1 金相顯微組織

圖1為Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg合金放大200倍觀察到的顯微組織形貌。

a Al-10Mg

b Al-10Mg-0.1Gd

c Al-10Mg-0.3Gd

d Al-10Mg-0.5Gd

由圖1可知，圖1a為未添加稀土Gd的Al-Mg合金顯微組織，可知鋁鎂合金的晶粒較清晰且粗大。由圖1b和1c可知，加入稀土Gd后，鑄造鋁鎂合金的晶粒尺寸和形狀都發(fā)生了明顯變化，枝晶得到明顯細(xì)化，晶界處析出相增多，晶粒細(xì)化效果也越來(lái)越明顯。圖1d為添加了0.5%Gd的Al-Mg合金顯微組織，與圖1c相比，其晶粒沒(méi)有進(jìn)一步細(xì)化，尺寸反而更加粗大。可見(jiàn)當(dāng)稀土Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí)，Gd對(duì)Al-Mg合金的晶粒細(xì)化作用減弱。

2.1.2 掃描電鏡顯微組織

為研究試樣中不同相的成分，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%Gd 的Al-Mg-Gd合金進(jìn)行組織成分分析,合金析出相(十字星位置)和基體(矩形框區(qū)域)的SEM 圖像如圖2所示，其具體成分見(jiàn)表1。在Al-Mg合金中加入0.1%的稀土Gd后在晶粒內(nèi)彌散析出球形或類球形的第二相粒子，主要成分為Al-Gd化合物。

圖2 Al-10Mg-0.1Gd合金微觀組織SEM能譜成分點(diǎn)

Fig.2MicrostructureandSEMpointanalysisofAl-10Mg-0.1Gdalloys

由表1中合金基體成分可知，晶內(nèi)成分為Al和Mg，而沒(méi)檢測(cè)到Gd元素，說(shuō)明基體相主要是Al，其中含有少量的Mg。Al-10Mg-0.1Gd合金中的Gd全部以第二相的形式析出并集聚在晶界處，該相聚集在晶界處能有效的阻礙晶界運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化晶粒的作用。

表1 Al-10Mg-0.1Gd合金成分

2.2力學(xué)性能

2.2.1 抗拉強(qiáng)度

利用CMT5305萬(wàn)能拉伸機(jī)測(cè)試各試樣的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)稀土Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度由172 MPa增加到195 MPa，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.3%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步增大到227 MPa，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度為最大值，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。當(dāng)稀土Gd的加入量進(jìn)一步提高到0.5%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度急劇下降至183 MPa。

添加稀土Gd能夠不同程度的改善鋁鎂合金的力學(xué)性能，這與Gd對(duì)合金的顯微組織的影響有關(guān)。分析可知，稀土Gd在鋁鎂合金中主要形成Al-Gd化合物分布于晶界處，在凝固過(guò)程中，這些溶質(zhì)原子富集于固液界面，就會(huì)增大相界面的成分過(guò)冷度，以此達(dá)到促進(jìn)基體均勻形核，細(xì)化晶粒的目的。另一方面，在鋁鎂合金中加入適量Gd，形成以顆粒狀和短桿狀形態(tài)分布于晶界處的Al-Gd化合物，起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，釘扎晶界的作用，從而使Al-Mg合金的抗拉強(qiáng)度增大，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

2.2.2 硬度

在鋁鎂合金中加入稀土Gd對(duì)合金的硬度也產(chǎn)生了較為明顯的影響。表2中顯示了每組試樣表面三個(gè)位置的硬度和平均硬度。

表2Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg合金硬度

Table 2 Hardness of Al-Mg alloys with differentGd contents MPa

由表2可知，當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，鋁鎂合金的硬度有所提高，繼續(xù)增加Gd到0.3%，其硬度上升至最大83 MPa。這說(shuō)明隨著稀土Gd增多，合金組織得到細(xì)化，單位面積內(nèi)的晶界增多，位錯(cuò)增多同時(shí)晶界處析出連續(xù)相增多，從而使鋁鎂合金硬度增強(qiáng)。在Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.5%，隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，鋁鎂合金的硬度明顯的下降。這表明當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.3%后，基體中殘留了較多的Al-Gd化合物，而Al-Gd化合物熔點(diǎn)高、脆性大，且尺寸較大，它們?cè)诰Ы鐓^(qū)域密集分布，會(huì)對(duì)晶界強(qiáng)度造成不利影響，削弱Gd對(duì)合金的強(qiáng)化效果。

3 結(jié) 論

(1)稀土Gd在Al-Mg合金中主要以Al-Gd化合物的形式分布于枝晶間，并可以細(xì)化Al-10Mg合金晶粒。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí)，短桿狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮倪B續(xù)的網(wǎng)狀形態(tài)。

(2)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀土Gd添加可以提高Al-Mg合金力學(xué)性能。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增加至0.3%時(shí)，Al-10Mg合金的抗拉強(qiáng)度和硬度最大，當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí)，Al-Mg合金的晶粒粗化，抗拉強(qiáng)度和硬度有所下降。

[1] 徐 佐， 吳大勇， 李振宇， 等. Mg與稀土Ce混合添加對(duì)A356.2鋁合金組織與性能的影響[J]. 鑄造， 2016, 65(9): 855-859.

[2] 安勇良, 尹冬松, 黃永杰. Gd對(duì)Al-Cu-Gd合金微觀組織與力學(xué)性能的影響[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016, 26(4): 402-404.

[3] 李 廳， 余 忠， 章 凱， 等. 混合稀土鑭鈰對(duì)再生鋁合金 ADC12 的影響[J]. 有色金屬工程， 2017, 7(2): 26-29.

[4] 高士學(xué), 孫躍軍， 高艷靜. 稀土 La 對(duì) A356 鋁合金組織及硬度的影響[J]. 熱加工工藝， 2016, 45(5): 81-83.

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[6] 劉 政, 羅浩林, 白光珠. 電磁攪拌頻率對(duì)半固態(tài)A356鋁合金初生α相和鈰分布的影響[J]. 中國(guó)稀土學(xué)報(bào)， 2015, 33(3): 328-335.

(編校王 冬)

EffectofGdonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-Mgalloy

AnYongliang,YinDongsong,TanZhiqiang

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at improving the mechanical properties of Al-Mg alloy castings. The research involves preparing Al-Mg alloy containing different Gd contents by a resistance furnace; and investigating the effect of rare earth elements Gd content of the Al-Mg alloy on the microstructure and mechanical properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, a universal tensile tester, hardness testing instruments. The results show that Gd with the mass fraction ranging from 0.1% to 0.3% and 0.5% can refine the grain of Al-Mg alloy and form the Al-Gd compound in granular or short rod shape, thus contributing to an improved tensile strength and hardness of the alloy; Gd with the mass fraction of 0.3% provides the highest strength and hardness; Gd with the mass fraction of 0.5% gives a decreased strengthening effect on Al-Mg alloy due to the change of Al-Gd compound form into a coarse network with continuous distribution along the grain boundary, resulting in the tensile strength and hardness of the alloy going down to 183 MPa and 79.9 MPa, respectively.

Al-Mg; Gd; microstructure; mechanical property

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.019

TG146.21

2095-7262(2017)06-0670-04

A

2017-06-12

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13A104)

安勇良(1982-)，男，吉林省吉林人，講師，博士研究生，研究方向：輕合金材料的制備、設(shè)計(jì)、計(jì)算及納米功能化，E-mail: ylanhust@163.com。