Ce對(duì)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料組織和性能的影響*

任玉艷，胡 皓，李英民，陳圣元

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

Ce對(duì)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料組織和性能的影響*

任玉艷，胡 皓，李英民，陳圣元

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了研究Ce元素對(duì)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響，利用原位內(nèi)生工藝制備了Al-15%Mg2Si復(fù)合材料，并加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ce元素對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行細(xì)化變質(zhì).利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，利用布氏硬度計(jì)和液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.結(jié)果表明，添加Ce元素后Mg2Si相以塊狀和粒狀形態(tài)存在于Al基體中，隨著Ce元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，初生Mg2Si相得到細(xì)化，其力學(xué)性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)Ce元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，初生Mg2Si相的細(xì)化效果最好，其力學(xué)性能最佳.

Al-15%Mg2Si復(fù)合材料；原位內(nèi)生；Ce元素；微觀組織；抗拉強(qiáng)度；硬度；伸長(zhǎng)率；細(xì)化機(jī)制

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的研究備受關(guān)注.由于具有較低的密度、良好的鑄造性能和耐磨性、顯著的物理性能、極好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良特性，鋁基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于建筑材料、工業(yè)型材、裝備技術(shù)、汽車和航空航天工業(yè)等眾多領(lǐng)域[1-3].金屬間化合物Mg2Si具有高硬度、高熔點(diǎn)、低密度、低熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4].Mg2Si相的密度僅為1.88 g/cm3，彈性模量卻高達(dá)120 GPa，因而已經(jīng)成為金屬基復(fù)合材料的理想顆粒增強(qiáng)相[5].然而Al-Mg2Si復(fù)合材料在傳統(tǒng)熔鑄過(guò)程中易形成粗大的初生Mg2Si相，且其晶粒易發(fā)生開(kāi)裂并割裂鋁基體，從而降低了Al-Mg2Si復(fù)合材料的力學(xué)性能[6]，進(jìn)而限制了Al-Mg2Si復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用，因此，針對(duì)Al-Mg2Si復(fù)合材料的制備和改性進(jìn)行研究顯得至關(guān)重要.

近些年人們嘗試通過(guò)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入各種元素進(jìn)行改性細(xì)化，從而提高復(fù)合材料的性能.相關(guān)研究[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入一定量的Cr元素時(shí)，Cr元素可以改善復(fù)合材料中初生Mg2Si相的形貌與尺寸，當(dāng)復(fù)合材料富Cr時(shí)，可以形成Al13Cr4Si4金屬間化合物，Cr元素的加入使得復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了明顯提高；當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入P元素時(shí)，同樣可以改善初生Mg2Si相的形貌和尺寸，當(dāng)P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度明顯提高[8]；當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入一定量的Li元素并進(jìn)行均勻化處理后，Mg2Si顆粒的形貌得到細(xì)化，此時(shí)復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最佳值[9]；當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入Ni元素后，初生和共晶Mg2Si相形貌能夠得到改善，且初生Mg2Si相的平均晶粒尺寸從42 μm減小到17 μm[10]；當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入Mn元素后，Mg2Si平均晶粒尺寸發(fā)生了改變，當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最佳值[3].

稀土元素是一種表面活性元素，因具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和較高的活潑性，可在鋁基復(fù)合材料中起到獨(dú)特的冶煉、除氣及變質(zhì)細(xì)化作用，被認(rèn)為是一種綠色改性劑.相關(guān)研究[11]表明，當(dāng)向Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入Y元素后，Mg2Si相發(fā)生細(xì)化，當(dāng)Y元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳；當(dāng)向Al-18%Mg2Si復(fù)合材料中加入Nd元素進(jìn)行變質(zhì)后，初生Mg2Si相的尺寸顯著降低，并以顆?；螯c(diǎn)狀形貌彌散分布于基體中，復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度分別提升了12%和27%[12].

Ce作為一種常見(jiàn)稀土元素，可對(duì)Al-Mg-Si系材料組織的改善和性能的提高起到重要作用.當(dāng)在Al-18%Si-10%Mg合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的Ce元素后，初生Mg2Si顆粒由粗大的十字狀或不規(guī)則多面體狀轉(zhuǎn)變成細(xì)小規(guī)則的塊狀，隨著稀土Ce元素的添加，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所提高，而摩擦系數(shù)和磨損量則逐漸降低[13].當(dāng)Al-30%Mg2Si復(fù)合材料中加入Ce元素后，Ce元素也可起到細(xì)化變質(zhì)作用，初生Mg2Si相的形貌與分布得到改善，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高[14]，然而，目前有關(guān)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入稀土Ce元素的研究較少.本文主要研究了稀土元素Ce對(duì)鑄態(tài)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響，同時(shí)為稀土Ce改性鑄態(tài)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的研發(fā)提供試驗(yàn)參考.

1 材料及方法

以純度為99.7%的工業(yè)Al錠、純度為99.61%的工業(yè)Mg錠和Al-26%Si中間合金為原料制備Al-15%Mg2Si復(fù)合材料.復(fù)合材料中w(Mg)=9.47%，w(Si)=5.53.%，余量為Al.采用原位內(nèi)生工藝在高溫節(jié)能箱式電阻爐中進(jìn)行復(fù)合材料熔煉.改性材料為Al-20%Ce中間合金，且試驗(yàn)中Ce元素的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%和1.2%.

熔煉開(kāi)始時(shí)，首先將放置有工業(yè)純Al和Al-26%Si中間合金的坩堝置于電阻爐中，并隨爐升溫，當(dāng)溫度達(dá)到720 ℃時(shí)，保溫一段時(shí)間直至原料完全熔化，然后加入包有鋁箔的純Mg錠.根據(jù)以往澆注規(guī)律，Mg錠在熔煉過(guò)程中存在燒損，因此，Mg元素的加入量需要比實(shí)際用量多出20%[4].加入Mg錠后，需要保溫約20 min以保證Mg錠完全熔化并與原料充分混合.隨后加入包有鋁箔的稀土中間合金Al-20%Ce，并在金屬混合液表面添加少量鹽類混合物作為覆蓋劑，以減少M(fèi)g和稀土Ce的燒損，保溫10 min使原料和稀土混合均勻.之后在金屬混合液中加入C2Cl6除氣劑進(jìn)行除氣、除雜，C2Cl6加入量約為金屬混合液質(zhì)量的0.4%.除渣后將溫度為720 ℃的金屬混合液澆入提前預(yù)熱的金屬鑄型內(nèi)，即可得到含有稀土Ce的Al-15%Mg2Si復(fù)合材料試樣.

在復(fù)合材料試樣上切取兩個(gè)體積約為10 cm3的立方試塊.將其中一個(gè)試塊進(jìn)行預(yù)磨、拋光、腐蝕(腐蝕液為HF水溶液)后，利用附帶能譜儀的S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行微觀組織觀察.將另一個(gè)試塊進(jìn)行打磨后，利用HB-3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測(cè)定，并在試塊上切取厚度為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用WES型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率.需要注意的是，在布氏硬度試驗(yàn)中同一成分應(yīng)取多個(gè)試樣，并在試樣同一表面進(jìn)行多次測(cè)量，選取數(shù)據(jù)相近結(jié)果的平均值作為最終硬度值.

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的微觀組織

圖1為Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的鑄態(tài)微觀組織.由圖1可見(jiàn)，該復(fù)合材料主要由初生Mg2Si相和共晶組織(Al+Mg2Si)組成.初生Mg2Si相非均勻分布在Al基體中，相多呈略微粗大的塊狀，而共晶Mg2Si相則呈細(xì)小顆粒狀.

圖1 Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的鑄態(tài)微觀組織Fig.1 Microstructure of as-cast Al-15%Mg2Si composite

圖2為Al-Mg2Si復(fù)合材料的偽二元共晶相圖[4].由圖2可知，當(dāng)Mg2Si相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，發(fā)生的相變過(guò)程為L(zhǎng)→L1+(Mg2Si)P→(Mg2Si)P+(Mg2Si+Al)E在相變反應(yīng)中P為初生相；E為共晶相；L、L1為液相.可見(jiàn)，在Al-15%Mg2Si凝固過(guò)程中Mg與Si首先反應(yīng)生成Mg2Si金屬間化合物，隨后Al和Mg2Si以共晶形式凝固于復(fù)合材料中.

圖2 Al-Mg2Si復(fù)合材料的偽二元共晶相圖Fig.2 Pseudo-binary eutectic phase diagram of Al-Mg2Si composite

2.2 稀土Ce對(duì)復(fù)合材料微觀組織的影響

圖3為不同Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)下Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的微觀組織.由圖3可見(jiàn)，稀土元素Ce可以改善初生Mg2Si相的形貌、平均晶粒尺寸和分布.當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的稀土Ce后，復(fù)合材料微觀組織中略微粗大的初生Mg2Si相被細(xì)化成細(xì)小的顆粒，但依舊存在尖銳邊緣，且相對(duì)不均勻地分布在鋁基體上(見(jiàn)圖3a)；當(dāng)稀土元素Ce的加入量達(dá)到0.6%時(shí)，微觀組織中的初生Mg2Si相得到明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸明顯減小，且Mg2Si相均勻地分布在Al基體中，此時(shí)Mg2Si相的細(xì)化效果最佳(見(jiàn)圖3b)；當(dāng)稀土元素Ce的加入量繼續(xù)增加至0.8%時(shí)，初生Mg2Si相開(kāi)始粗化，細(xì)化效果減弱，平均晶粒尺寸變大(見(jiàn)圖3c).當(dāng)稀土元素Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.2%時(shí)，初生Mg2Si相的平均晶粒尺寸與圖3c中的情況相近，但粗大的初生Mg2Si相數(shù)量增多，分布不均，未觀察到明顯細(xì)化效果(見(jiàn)圖3d).

圖3不同Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)下Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的微觀組織
Fig.3MicrostructuresofAl-15%Mg2SicompositewithdifferentmassfractionsofCeelement

對(duì)比圖3可知，當(dāng)Ce元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的細(xì)化效果最佳，因此，利用掃描電子顯微鏡對(duì)Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行分析.為了進(jìn)一步分析Ce元素在Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中的分布情況，利用能譜儀對(duì)Al基體、Mg2Si相和復(fù)合材料中的白色組織進(jìn)行線掃描分析，具體結(jié)果如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，黑色Mg2Si相、灰色Al基體及相邊界處均含有少量稀土元素Ce，而Al基體上的白色組織中卻含有大量稀土元素Ce，表明稀土元素Ce與Al形成了Al-Ce化合物，且該化合物大量存在于Al基體上的白色組織中，少量附著在初生Mg2Si相及其周圍組織中，Al-Ce化合物可對(duì)初生Mg2Si相的長(zhǎng)大起到抑制作用，但抑制程度相對(duì)薄弱.

圖4 Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中各元素的線分布Fig.4 Line distribution of elements in Al-15%Mg2Si composite

圖5為Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的微觀組織與能譜.Al基體上的黑色Mg2Si相中存在微量稀土元素Ce，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.87%(見(jiàn)圖5a、b)；Al基體上的白色組織中含有大量稀土元素Ce，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為45.04%(見(jiàn)圖5a、c).由此也可以確定稀土元素Ce大量存在于Al基體中，且能夠影響Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的組織形貌和性能.

Al-Mg2Si復(fù)合材料在凝固過(guò)程中的細(xì)化變質(zhì)主要有以下兩種途徑[15]：一是增加有效晶核數(shù)量，提高形核率，進(jìn)而細(xì)化晶粒；二是改變晶體生長(zhǎng)模式，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而使晶粒得到細(xì)化.在Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入稀土元素Ce，可以同時(shí)達(dá)到以上兩種效果，從而細(xì)化復(fù)合材料的組織.

稀土Ce的原子半徑為0.182 4 nm，Al的原子半徑為0.143 nm，兩者相差較大，因此，Ce在Al中的固溶度很低.Ce元素可以形成很小的固溶體并依附在晶粒表面上，同時(shí)Ce元素也是一種表面活性物質(zhì).一方面，稀土元素Ce的加入增加了凝固過(guò)程中液體的過(guò)冷度，容易在Mg2Si晶粒前沿發(fā)生吸附偏聚，因而可與基體形成含Ce化合物并聚集在Mg2Si相邊緣，從而降低了Mg2Si晶粒的生長(zhǎng)速度，抑制了Mg2Si相的生長(zhǎng)，進(jìn)而起到細(xì)化晶粒作用；另一方面，α-Al可以起到異質(zhì)形核核心的作用，稀土元素Ce可與Al生成新相并包圍α-Al，從而增加了有效晶核數(shù)量，進(jìn)而起到變質(zhì)作用.當(dāng)復(fù)合材料中稀土Ce的加入量達(dá)到0.6%時(shí)，形核質(zhì)點(diǎn)增多，此時(shí)足夠的含Ce化合物富集在初生Mg2Si相周圍，因而晶粒細(xì)化效果最佳.然而當(dāng)Ce元素的加入量超過(guò)一定量時(shí)，由于Ce與Al形成的化合物被消耗，因而減少了對(duì)初生Mg2Si相的包圍，導(dǎo)致細(xì)化效果減弱甚至消失.

圖5 Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的微觀組織與能譜Fig.5 Microstructure and energy spectra of Al-15%Mg2Si composite

圖6為稀土Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的XRD圖譜.由圖6可見(jiàn)，復(fù)合材料中含有Al和Mg2Si相.

圖6 Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of Al-15%Mg2Si composite

由于稀土Ce在Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中的含量很低，通過(guò)XRD檢測(cè)未能分析出Ce元素的存在形式，因此，需要對(duì)由Ce形成的白色組織進(jìn)行存在形式分析.化合物形成的難易程度主要取決于元素之間的電負(fù)性差值[15]，兩種元素的電負(fù)性差值越大，表明兩種元素之間越容易形成金屬間化合物.稀土Ce的電負(fù)性和Al、Si相差較大，因此，Ce元素易與Al、Si形成化合物.

理論上根據(jù)Ce-Si二元相圖可知，Ce和Si可以形成多種金屬間化合物，但是CeSi2、Ce3Si5、CeSi和Ce5Si4等化合物的形成溫度都在1 200 ℃以上，因而這些化合物在不超過(guò)740 ℃的試驗(yàn)條件下難以形成.由Ce-Si二元相圖可知，本文條件下稀土Ce和Si只能在628 ℃發(fā)生共晶反應(yīng)，即

L→Ce+Ce5Si3

然而，由Al-Mg2Si偽二元共晶相圖可知，Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的共晶轉(zhuǎn)變溫度為583.5 ℃.當(dāng)溫度達(dá)到583.5 ℃時(shí)，由于復(fù)合材料實(shí)際成分中的Mg與Si質(zhì)量比大于1.73，結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料中不會(huì)有多余的Si剩下，因此，實(shí)際上稀土元素Ce不可能與Si形成金屬間化合物.

根據(jù)Al-Ce二元相圖可知，Ce可與Al形成α-Al11Ce3、β-Al11Ce3、Al3Ce、Al2Ce、AlCe、α-AlCe3和β-AlCe3等化合物.在不超過(guò)720 ℃的情況下，稀土Ce可與Al分別在586、640和645 ℃發(fā)生如下共晶反應(yīng)：

L→Ce+β-AlCe3L→α-Al+α-Al11Ce3L→β-AlCe3+AlCe

當(dāng)微量Ce加入復(fù)合材料后，可以發(fā)生共晶反應(yīng)生成α-Al和α-Al11Ce3相，其共晶轉(zhuǎn)變溫度為640 ℃，高于復(fù)合材料的共晶轉(zhuǎn)變溫度，因而在熔體凝固過(guò)程中提供了成分過(guò)冷.α-Al起到形核核心作用，α-Al11Ce3相則附著在晶粒邊緣，不易形成Mg2Si相的形核核心，從而不易溶于初生Mg2Si相中.隨著Ce元素的增加，足夠的α-Al11Ce3化合物聚集在Mg2Si相表面，阻止了Mg2Si相的生長(zhǎng)，進(jìn)而細(xì)化了復(fù)合材料的組織.潘復(fù)生等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合材料富Al時(shí)，Al和Ce最易形成的二元化合物為Al11Ce3.吳健等[17]通過(guò)X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，將Al-20%Ce中間合金加入到Al-Mg合金中后，Al和Ce會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物Al4Ce，而所形成的Al4Ce相實(shí)際上就是α-Al11Ce3化合物[16].

由于本文中加入的稀土Ce的含量不足2%，并不存在富Ce現(xiàn)象，根據(jù)Al-Ce二元相圖可知，無(wú)法在645和586 ℃發(fā)生共晶反應(yīng).同時(shí)，由圖5c可以發(fā)現(xiàn)，若排除Al基體的影響，Al和Ce的原子比接近4∶1，因此，復(fù)合材料的白色組織應(yīng)為Al4Ce(α-Al11Ce3)化合物.這種化合物一方面富集在初生Mg2Si相的周圍，可以改變初生相的生長(zhǎng)模式，進(jìn)而細(xì)化晶粒；另一方面則通過(guò)在640 ℃發(fā)生的共晶反應(yīng)，包圍α-Al基體，促使α-Al作為結(jié)晶晶核，從而起到細(xì)化晶粒作用.

2.3 稀土Ce對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖7為Ce元素含量對(duì)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律.

圖7 Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of Al-15%Mg2Si composite

由圖7可見(jiàn)，隨著稀土元素Ce加入量的增加，Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì).當(dāng)Ce元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.6%時(shí)，Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳，稀土Ce的細(xì)化變質(zhì)效果最好.此時(shí)，抗拉強(qiáng)度由最初的136 MPa提高到180.25 MPa；伸長(zhǎng)率由最初的2.18%提高到3.79%；硬度由最初的38.1 HB提高到56.4 HB.然而，當(dāng)Ce元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0.8%和1.2%時(shí)，隨著Ce含量的增加，Al-15%Mg2Si復(fù)合材料的力學(xué)性能開(kāi)始下降.

相關(guān)研究[18-19]發(fā)現(xiàn)，初生Mg2Si相尺寸的減小會(huì)降低材料在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的幾率，進(jìn)而提高材料的抗拉強(qiáng)度.少量由稀土元素Ce形成的化合物會(huì)聚集在初生Mg2Si相周圍，從而阻礙了Mg2Si相的長(zhǎng)大.當(dāng)稀土Ce的加入量較少時(shí)，初生Mg2Si相的平均晶粒尺寸隨著Ce含量的增加而減小，降低了復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的幾率，進(jìn)而提高了材料的抗拉強(qiáng)度.同時(shí)，細(xì)小的稀土化合物分布在Al基體中，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，對(duì)復(fù)合材料起到彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)而提高材料強(qiáng)度.加入稀土Ce后，初生Mg2Si相的形貌得到改善，因而復(fù)合材料的塑性有所提高.然而，當(dāng)Ce的加入量過(guò)大時(shí)，由于稀土Ce具有較高的化學(xué)活性，此時(shí)稀土Ce更傾向于與Al結(jié)合形成化合物，并在Al基體中獨(dú)自生長(zhǎng)，而并未明顯吸附于初生Mg2Si相周圍，造成Mg2Si相的平均晶粒尺寸不再減小，反而有所粗化，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中與基體割裂的發(fā)生，因而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能有所降低.

3 結(jié) 論

本文研究了稀土Ce對(duì)Al-15%Mg2Si復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響，通過(guò)以上試驗(yàn)分析可以得出以下結(jié)論：

1) 在Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.6%的稀土元素Ce，能夠在一定程度上細(xì)化初生Mg2Si相，且當(dāng)稀土元素Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，細(xì)化效果最佳.但當(dāng)稀土元素Ce的加入量達(dá)到0.8%及以上時(shí)，初生Mg2Si相則變得更為粗大.

2) 隨著Al-15%Mg2Si復(fù)合材料中稀土Ce加入量的增加，復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)稀土Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳.

3) 稀土元素Ce可以改善Mg2Si相的形態(tài)和分布，同時(shí)稀土Ce能夠形成化合物并聚集在Mg2Si相生長(zhǎng)前沿，阻礙Mg2Si初生相和共生相的生長(zhǎng)，進(jìn)而能夠細(xì)化Mg2Si相.

[1] 武高輝.金屬基復(fù)合材料發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2014，31(5)：1228-1237.

(WU Gao-hui.Development challenge and opportunity of metal matrix composites [J].Acta Materiae Compositae Sinica，2014，31(5)：1228-1237.)

[2] 張建新，高愛(ài)華.Al-Mg-Si系合金中稀土Y和Si的疊加作用分析 [J].鑄造，2012，61(8)：913-916.

(ZHANG Jian-xin，GAO Ai-hua.Influence of superposition of rare earth Y and Si element on Al-Mg-Si aluminum alloy [J].Foundry，2012，61(8)：913-916.)

[3] Ghorbani M R，Emamy M，Khorshidi R，et al.Effect of Mn addition on the microstructure and tensile pro-perties of Al-15%Mg2Si composite [J].Materials Science & Engineering A，2012，550(5)：191-198.

[4] Zhang J，F(xiàn)an Z，Wang Y Q，et al.Microstructural development of Al-15wt.%Mg2Si in situ composite with mischmetal addition [J].Materials Science & Engineering A，2000，281(1/2)：104-112.

[5] 張健，王玉慶，楊濱，等.原位內(nèi)生Al/Mg2Si/Si復(fù)合材料鑄態(tài)組織研究 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1999，16(4)：30-34.

(ZHANG Jian，WANG Yu-qing，YANG Bin，et al.On the microstructure of an as-cast Al/Mg2Si/Si in-situ composite [J].Acta Materiae Compositae Sinica，1999，16(4)：30-34.)

[6] Wu X F，Zhang G G，Wu F F.Microstructure and dry sliding wear behavior of cast Al-Mg2Si in-situ metal matrix composite modified by Nd [J].Rare Metals，2013，32(3)：284-289.

[7] Ghorbani M R，Emamy M，Nemati N.Microstructural and mechanical characterization of Al-15%Mg2Si composite containing chromium [J].Materials & Design，2011，32(8)：4262-4269.

[8] Nasiri N，Emamy M，Malekan A，et al.Microstructure and tensile properties of cast Al-15%Mg2Si compo-site：effects of phosphorous addition and heat treatment [J].Materials Science & Engineering A，2012，556(3)：446-453.

[9] Razaghian A，Bahrami A，Emamy M.The influence of Li on the tensile properties of extruded in situ Al-15%Mg2Si composite [J].Materials Science & Engineering A，2012，532(1)：346-353.

[10]Emamy M，Khodadadi M，Raouf A H，et al.The influence of Ni addition and hot-extrusion on the microstructure and tensile properties of Al-15%Mg2Si composite [J].Materials & Design，2013，46(4)：381-390.

[11]Emamy M，Nodooshan H R J，Malekan A.The microstructure，hardness and tensile properties of Al-15%Mg2Si in situ composite with yttrium addition [J].Materials & Design，2011，32(8/9)：4559-4566.

[12]吳敵，齊錦剛，李揚(yáng)，等.變質(zhì)元素對(duì)Al-Mg2Si合金形核機(jī)理的影響 [J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35(增刊2)：14-19.

(WU Di，QI Jin-gang，LI Yang，et al.Effect of modifying elements on nucleation mechanism of Al-Mg2Si alloy [J].Transactions of Materials and Heat Treatment，2014，35(Sup2)：14-19.)

[13]李鵬飛，蘭曄峰，簡(jiǎn)醫(yī)生，等.Ce對(duì)Al-18%Si-10%Mg合金顯微組織與力學(xué)性能的影響 [J].鑄造技術(shù)，2015，36(3)：559-561.

(LI Peng-fei，LAN Ye-feng，JIAN Yi-sheng，et al.Effect of Ce on microstructures and mechanical pro-perties of alloy Al-18%Si-10%Mg [J].Foundry Technology，2015，36(3)：559-561.)

[14]劉桐宇.Al/Mg2Si復(fù)合材料組織與性能的研究 [D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2015.

(LIU Tong-yu.Study on microstructure and mechanical properties of Al/Mg2Si composite [D].Shenyang：Shenyang University and Technology，2015.)

[15]任玉艷，劉桐宇，李英民.稀土元素釔對(duì)Al-30wt%Mg2Si復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的影響 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2015，32(5)：1367-1373.

(REN Yu-yan，LIU Tong-yu，LI Ying-min.Influence of rare earth element Y on microstructure and mechanical properties of Al-30wt%Mg2Si composites [J].Acta Materiae Compositae Sinica，2015，32(5)：1367-1373.)

[16]潘復(fù)生，丁培道.鋁合金中的稀土化合物 [J].輕合金加工技術(shù)，1994，22(6)：38-42.

(PAN Fu-sheng，DING Pei-dao.Rare earth compound in aluminum alloy [J].Light Alloy Fabrication Technology，1994，22(6)：38-42.)

[17]吳健，古文全，薛濤，等.稀土Ce對(duì)Al-10Mg合金組織及力學(xué)性能的影響 [J].特種鑄造及有色合金，2014，34(1)：89-92.

(WU Jian，GU Wen-quan，XUE Tao，et al.Effects of cerium addition on the microstructure and mechanical properties of Al-10Mg alloys [J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2014，34(1)：89-92.)

[18]任玉艷，劉桐宇，李英民.Bi對(duì)Al-30%Mg2Si復(fù)合材料組織和性能的影響 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(2)：159-164.

(REN Yu-yan，LIU Tong-yu，LI Ying-min.Influence of Bi on microstructure and properties of Al-30%Mg2Si composite [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(2)：159-164.)

[19]寇首鵬，孔慶富，馬繼剛，等.Sn對(duì)Mg-2.0Si合金組織和性能的影響 [J].鑄造，2016，65(3)：216-219.

(KOU Shou-peng，KONG Qing-fu，MA Ji-gang，et al.Effects of Sn on microstructure and mechanical property of Mg-2.0Si alloy [J].Foundry，2016，65(3)：216-219.)

InfluenceofCeonmicrostructuresandpropertiesofAl-15%Mg2Sicomposite

REN Yu-yan, HU Hao, LI Ying-min, CHEN Sheng-yuan

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the effect of Ce element on the microstructures and mechanical properties of Al-15%Mg2Si composite, the Al-15%Mg2Si composite was prepared with in-situ formation technology, and the Ce element with different mass fractions was added to refine and modify the composite.In addition, the microstructures were observed with scanning electron microscope (SEM), and the mechanical properties were tested with the Brinell hardness and hydraulic universal testers.The results show that after adding Ce element, the Mg2Si phase with the massive and granular morphologies exists in the Al matrix.With increasing the mass fraction of Ce element, the primary Mg2Si phase gets refined, and the mechanical properties of the composite firstly increase and then decrease.When the mass fraction of Ce element is 0.6%, the refinement effect of primary Mg2Si phase is best and the mechanical properties of the composite are optimal.

Al-15%Mg2Si composite; in-situ formation; Ce element; microstructure; tensile strength; hardness; elongation; refinement mechanism

2016-11-02.

沈陽(yáng)市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(F15-199-1-11).

任玉艷(1970-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事高比強(qiáng)度耐高溫金屬基復(fù)合材料等方面的研究.

* 本文已于 2017-10-25 21∶12在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.06

TB 331

A

1000-1646(2018)01-0030-07

尹淑英 英文審校：尹淑英)