稀土元素La對2024鋁合金鑄態(tài)組織及性能的影響

溫 楊，于長富，孫 巍，謝方亮，楊 路，徐 強(qiáng)

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口 111003)

2024鋁合金為可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)、高韌Al-Cu-Mg系合金，且具有高比強(qiáng)度與比剛度、優(yōu)異成型性能、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，在軍工、航空航天等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

大量研究表明，合金中添加微量稀土元素可以有效地強(qiáng)化合金、凈化熔體，稀土元素在一定成分范圍內(nèi)，能夠起到細(xì)化晶粒、提高合金機(jī)械性能和工藝性能的作用[4]。古文全等[5]通過在Al-10Mg合金鑄錠中添加適量La，發(fā)現(xiàn)La可顯著細(xì)化晶粒，并形成顆粒狀及短桿狀A(yù)l-La化合物，能夠提高合金的力學(xué)性能。周年潤等[6]利用復(fù)合添加La、Zr和Cr生成高溫穩(wěn)定的Al20Cr2La相彌散分布于2124鋁合金中，具有顯著提高鋁合金再結(jié)晶溫度的作用。本試驗在2024鋁合金中添加微量稀土元素La，研究不同含量La對2024合金鑄態(tài)組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

2024鋁合金制備原材料為純鋁錠、高純鎂錠(>99.96%)、Al-60%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al-5%Cr中間合金、Al-5Ti-B絲及Al-10%La中間合金。在2024鋁合金中分別添加0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%含量的稀土元素La，實測成分見表1。

表1 2024合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗方法

將純鋁錠進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750 ℃，待鋁錠熔化后依次投入中間合金Al-Cu、Al-Mn、Al-La和高純鎂錠。中間合金充分?jǐn)嚢韬笕舆M(jìn)行成分檢測，成分合格后進(jìn)行精煉、扒渣，靜止20 min后鑄造成φ198 mm×2000 mm圓鑄錠，鑄造工藝參數(shù)見表2。

表2 鑄造工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 金相組織

圖1、圖2為2024鋁合金中添加不同含量稀土元素La的金相組織對比圖。由圖1可知，合金晶粒隨稀土La含量的增加，晶粒尺寸呈先逐漸減小后增大的趨勢，稀土La含量為0.3%時，晶粒相對細(xì)小且分布均勻。未添加La時，合金晶粒粗大且不均勻，晶粒尺寸約為120 μm；當(dāng)稀土La添加量為0.1%時，晶粒無明顯細(xì)化，晶粒大小相對均勻；繼續(xù)增加La含量為0.2%，合金晶粒尺寸略有減小約為110 μm；當(dāng)稀土La含量為0.3%時，合金晶粒尺寸明顯減小，晶粒細(xì)化效果顯著，晶粒尺寸約為80 μm；繼續(xù)提高La成分至0.4%，合金出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象。

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%圖1 不同La含量的2024鋁合金晶粒度Fig.1 Grain size of 2024 aluminum alloy with different La content

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%圖2 不同La含量的2024鋁合金鑄態(tài)顯微組織Fig.2 As-cast microstructure of 2024 aluminum alloy with different La content

由于稀土元素La在2024合金中的溶解度較低，凝固時會造成溶質(zhì)富集在固液界面前沿，從而導(dǎo)致枝晶縮短、熔斷或游離等現(xiàn)象，使晶粒得到細(xì)化。La原子半徑為0.1877 nm，與基體Al的尺寸相差較大，La在鋁合金中的固溶度又非常小，進(jìn)入晶格會引起較大的晶格畸變，會增加勢能和自由能[7]。為了降低自由能，含有La的化合物會在晶界上聚集，并沿著枝晶分布。當(dāng)少量稀土在晶界上分布時，會降低晶粒的長大速度，并在晶內(nèi)形成微小的稀土化合物，成為異質(zhì)形核的核心，從而提高形核率[4]。

當(dāng)2024合金中稀土La含量為0.4%時，合金晶粒會變得粗大，有長大趨勢。這是因為過量的La會形成大量的稀土初生相，這些初生相會與Ti發(fā)生作用，從而降低Ti在合金中形核的有效溶度，減少合金中其他異形形核核心的數(shù)量。同時，過量的稀土也會降低稀土成分的過冷度，凝固過慢會導(dǎo)致稀土初生相長大，從而晶粒粗化。

2.2 SEM形貌

圖3為不同稀土元素La含量的2024鋁合金鑄態(tài)SEM形貌圖。沒有添加稀土元素La，合金中的第二相較粗大，主要以條狀的S(Al2MgCu)相、Al2Cu相，由于Cu：Mg<2.6，形成的主要強(qiáng)化相為S(Al2MgCu)相[5]。加入稀土元素La后，第二相的形貌和分布發(fā)生明顯變化，晶界處除了條狀的S相和Al2Cu相外，還形成含有La元素的復(fù)雜稀土化合物。對5組試樣的晶界及晶內(nèi)局部位置進(jìn)行衍射分析，含稀土元素La的化合物衍射點位為圖3(b)-1、圖3(c)-1、圖3(d)-1、圖3(e)-1，其余點位均未含La元素，含La化合物的元素組成見表3。稀土相化合物由La、Mg、Cu、Mn、Al等元素組成，在一定程度上抑制了晶粒的長大。由于La元素在鋁合金中溶解度很低，隨著La元素含量的增加，晶界處含La的復(fù)雜化合物逐漸增多。同時，延晶界分布的第二相逐漸發(fā)生溶解、斷裂，變得不連續(xù)，晶粒也有粗化趨勢。

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%圖3 不同La含量的鑄態(tài)2024鋁合金SEM形貌Fig.3 SEM morphology of as-cast 2024 aluminum alloy with different La content

表3 圖4中各點含稀土相化合物元素組成

2.3 力學(xué)性能

圖4為不同La含量的鑄態(tài)2024鋁合金力學(xué)性能。由圖4可知，隨著稀土元素La含量的增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先升高后降低的變化趨勢，當(dāng)La含量為0.2%時，屈服強(qiáng)度最高，達(dá)到159 MPa；當(dāng)La含量為0.3%時，抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到174 MPa。而隨著稀土元素La含量的增加，延伸率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，當(dāng)La含量為0.4%時，延伸率達(dá)到最大，約為1.7%。表明微量稀土元素的添加，生成的高熔點、高模量的第二相提高了熔體質(zhì)量，使缺陷減小。但是過量的La會使晶粒粗化，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。

(a) 強(qiáng)度；(b) 伸長率圖4 不同La含量的鑄態(tài)2024鋁合金力學(xué)性能(a) intensity; (b) elongation rateFig.4 Mechanical properties of as-cast 2024 aluminum alloy with different La content

3 結(jié)論

1)稀土元素La含量從0.1%增至0.4%，合金晶粒均有不同程度的細(xì)化，La含量為0.3%時，晶粒細(xì)化效果最為顯著，但La含量為0.4%時，合金晶粒組織略有粗化；

2)稀土元素La在鑄態(tài)2024鋁合金中主要分布在晶界處，其成分組成為La、Mg、Cu、Al；

3)稀土元素La含量為0.2%時，鑄態(tài)2024鋁合金的力學(xué)性能最佳；稀土元素La含量為0.4%時，延伸率提高最為明顯。