稀土元素對鋁合金組織與性能影響的研究進(jìn)展

馮嘯

摘 要：現(xiàn)如今，我國的經(jīng)濟(jì)在迅猛發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，稀土元素因為其有效、穩(wěn)定的變質(zhì)作用，被廣泛應(yīng)用于多種金屬材料中。變質(zhì)處理可以細(xì)化合金組織，從而提高合金的力學(xué)性能，不同的稀土元素對鋁合金的變質(zhì)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(xué)性能的影響及其變質(zhì)機(jī)理，綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外稀土鋁合金的研究現(xiàn)狀，并闡述目前存在的問題，以及對未來研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：稀土元素;鋁合金;顯微組織;力學(xué)性能

引言

鋁合金具有自身質(zhì)量小、耐腐蝕性好、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天、汽車、電器、船舶、建筑、交通等工業(yè)部門，特別是近年來，我國航空航天、汽車、高鐵列車行業(yè)的快速發(fā)展，輕量化、大型化以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高質(zhì)量產(chǎn)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(guān)的鋁合金制造工藝的研究也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。作為鋁合金產(chǎn)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(guān)領(lǐng)域的研究熱點。目前國內(nèi)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(fù)雜，所以應(yīng)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(chǎn)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?？諝鉅t中釬焊因其具有設(shè)備投資小、焊接工藝性良好、操作簡單等特點被廣泛應(yīng)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(zhì)被譽(yù)為金屬材料的維他命，因具有改善釬料潤濕性、晶粒細(xì)化、改變組織分布狀態(tài)、提高釬焊接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能等優(yōu)點，所以在釬料改性中的應(yīng)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(xué)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(yīng)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(qiáng)度、伸長率等力學(xué)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(xì)化效果。將Al-10Y中間合金加入到6063鋁合金中，晶粒細(xì)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(xì)化，分布也變得均勻。向6063鋁合金中添加Y，發(fā)現(xiàn)Y十分活潑，能與合金中的Si相結(jié)合，從而降低了AlFeSi相中的Si含量，改善了AlFeSi相的形貌。當(dāng)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(xué)性能逐漸改善。當(dāng)Y的添加量為0.3%時，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)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(dá)到12%。王經(jīng)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(zhì)效果。向A356合金中添加Er，當(dāng)Er含量為0.3%時，α-Al晶粒的細(xì)化效果最好，對Si相的改性效果最好，將層片狀的Si相變?yōu)轭w粒狀和短棒狀。當(dāng)Er含量為0.4%時，合金發(fā)生了過變質(zhì)，α-Al晶粒又變得粗大。研究表明，當(dāng)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?yōu)榧?xì)小的塊狀;共晶Si相形貌發(fā)生了變化，從粗血小板狀、針狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧?xì)珊瑚狀纖維結(jié)構(gòu)。Er對鋁合金的細(xì)化機(jī)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(jìn)入晶粒，主要富集在固-液界面前沿，所以導(dǎo)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(zhì)形核的核心。對比Er和La對A356合金的變質(zhì)后的性能，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)電性和耐腐蝕性方面強(qiáng)于Er。

1.5合金導(dǎo)電性能

隨著混合稀土元素含量增加，鋁合金的電導(dǎo)率出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象，當(dāng)混合稀土添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，電導(dǎo)率最高，為62.31%IACS。金屬導(dǎo)電理論認(rèn)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(zhì)元素在金屬中以固溶態(tài)存在時，對導(dǎo)體電阻率的增大作用遠(yuǎn)大于析出態(tài)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(xì)化晶粒，還能夠降低雜質(zhì)元素Fe、Si等在基體中的固溶度，提高合金的導(dǎo)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(dǎo)電率?；旌舷⊥梁康脑黾舆€會導(dǎo)致部分稀土固溶于鋁合金晶體中，因而降低導(dǎo)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(xué)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(xì)化，從而達(dá)到提升鋁合金力學(xué)性能的目的。但是由于稀土元素種類繁多，且關(guān)于稀土元素對合金的作用機(jī)理的了解還不夠透徹，限制了稀土元素在鋁合金中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步研究稀土元素在鋁合金中的應(yīng)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(zhì)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(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理。（2）針對部分稀土元素的變質(zhì)效果不理想的狀況，可以采用稀土元素與物理場復(fù)合處理的方法進(jìn)一步改善合金組織和力學(xué)性能。（3）提高合金的力學(xué)性能不能局限于常溫力學(xué)性能，對材料在高溫條件下的性能有待進(jìn)一步開展研究。

3結(jié)語

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

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