Ce含量對8021鋁合金凝固組織的影響

穆星偉，杜 愷，呂 成，許光明

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819; 2．東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

Al-Fe系合金具有質(zhì)量輕、耐熱性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良的力學(xué)性能[1]，價格低，原料豐富，使其可以取代部分常規(guī)耐熱鋁合金，在抗腐蝕涂層、汽車、發(fā)動機(jī)、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。但是制約Al-Fe系合金進(jìn)一步發(fā)展的一個關(guān)鍵的問題是Al-Fe金屬間化合物有害的形貌。由于Fe在Al中的固溶度很低僅為0.052%，當(dāng)Fe的加入量超過其在Al中的極限固溶度時，會與Al或其他合金元素反應(yīng)，形成質(zhì)脆的針狀、片狀析出相。這些析出相主要是以Al3Fe、Al6Fe等形式存在[3-4]，質(zhì)脆粗大的析出相會割裂基體，大大降低材料的力學(xué)性能[5]。

本實(shí)驗(yàn)通過在8021鋁合金中加入不同含量的稀土元素Ce，探究稀土元素Ce對8021鋁合金中富鐵相形貌和力學(xué)性能的影響，并分析變質(zhì)機(jī)制，以期為工業(yè)上制備性能優(yōu)異的鋁鐵合金提供一種新的方法。

1 實(shí)驗(yàn)過程

8021鋁合金由工業(yè)純鋁(99.9%)和Al-50Fe中間合金配制而成。稀土元素Ce以Al-10Ce中間合金的形式加入，w(Ce)設(shè)定為0、0.1%、0.2%、0.3%。采用工業(yè)電阻爐熔煉，熔煉溫度為720 ℃，加入C2Cl6進(jìn)行精煉，保溫30 min，在錐形鐵模中澆鑄，得到四組鑄錠，鑄錠成分如表1所示。從鑄錠中央切取8 mm×10 mm×10 mm的試樣，分別用砂紙進(jìn)行粗磨、細(xì)磨，再在金相拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋和精拋，然后對試樣進(jìn)行金相分析、SEM形貌分析、能譜分析和硬度測試等。

表1 四組鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.1 Composition of four groups of ingots(wt/%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織

圖1為添加w(Ce)=0%、0.1%、0.2%、0.3% 的8021鋁合金鑄錠金相組織。

圖1 加入不同含量Ce的8021鋁合金金相組織圖Fig.1 Metallographic structure of 8021 aluminum alloy with different contents of Ce

如圖1a所示，當(dāng)w(Ce)=0%時，富鐵相以纖維狀、粗大的針狀、片狀等形式分布在基體上，其尺寸大小各異，分布不均勻。與圖1a相比，當(dāng)加入Ce元素后，富鐵相的組織形貌發(fā)生了顯著變化。當(dāng)w(Ce)=0.1%時，Al-Fe相出現(xiàn)部分變質(zhì)，大部分富鐵相的形貌為分布較為均勻的長條狀、塊狀，片狀的富鐵相明顯減少；當(dāng)w(Ce)=0.2%時，變質(zhì)效果最優(yōu)，富鐵相的形貌為點(diǎn)狀、短棒狀，長條狀、羽毛狀的富鐵相明顯減少，幾乎不存在；當(dāng)w(Ce)=0.3%時，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象，點(diǎn)狀、短棒狀的富鐵相明顯減少，塊狀的富鐵相增加且變得粗大。

2.2 掃描組織

圖2為8021鋁合金組織形貌面掃圖。由圖2可知，在晶界上分布著大量的Fe元素，這些偏聚的Fe元素會形成形貌各異的Al-Fe相；稀土元素Ce富集在Fe元素周圍，同樣分布在晶界上。

圖2 w(Ce)=0.1%的8021鋁合金面掃圖Fig.2 EDS map scanning of 8021 aluminum alloy with 0.1% Ce

圖3為8021鋁合金的能譜圖。表2為富鐵相的成分能譜分析結(jié)果?？梢钥闯觯珹、D兩點(diǎn)Fe、Ce元素聚集在一起且含量較高，形貌為短棒狀；B點(diǎn)為Ce元素單獨(dú)聚集在一起，形貌為塊狀；C點(diǎn)中沒有Ce元素的存在，富鐵相形貌并沒有發(fā)生改變，依舊為長條狀。

表2 圖3中富鐵相的成分能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.2 Energy spectrum analysis results of iron-rich phase composition in Fig.3(wt/%)

圖3 w(Ce)=0.1%的8021鋁合金的EDS能譜圖Fig.3 EDS spectra of 8021 aluminum alloy containing 0.1% Ce

2.3 硬度測試

不同Ce含量的8021鋁合金鑄錠的硬度如圖4所示。隨著Ce含量的增加，硬度逐漸增加，當(dāng)w(Ce)=0.2%時，8021鋁合金的硬度最大，為26.1 HV；繼續(xù)增加到w(Ce)=0.3%時，硬度又有略微下降，為25.2 HV，這與金相觀察結(jié)果相吻合。

圖4 不同Ce含量的8021鋁合金硬度Fig.4 Hardness of 8021 aluminum alloy with different Ce contents

3 結(jié)果分析與討論

由于Al和富鐵相的熔點(diǎn)相差懸殊，在非平衡凝固條件下，偽共晶區(qū)偏向高熔點(diǎn)相即富鐵相一側(cè)。在冷卻速度較大時，其共晶組織形貌為亞共晶組織形貌，即α-Al+共晶組織[6]。由于Fe在α-Al中的溶解度很低，在冷卻速度較大時，先析出相α-Al會將Fe原子推向界面前沿，隨著界面前沿Fe含量的增加，富鐵熔體中會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成點(diǎn)狀、棒狀連接而成的纖維狀的富鐵相，隨著Fe含量繼續(xù)增加，纖維狀的富鐵相會繼續(xù)長大，從而形成羽毛狀、板條狀的富鐵相[7]。

如圖5所示，當(dāng)在8021鋁合金中加入Ce元素后，隨著8021鋁合金凝固的逐漸進(jìn)行，Ce和Fe會在結(jié)晶前沿的液相中富集，這時，融入α-Al基體內(nèi)的Ce原子會引起晶格畸變,導(dǎo)致系統(tǒng)的能量增加[8]。因此,為了使其自由能最低，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，Ce原子只能向原子排列不規(guī)則的晶界上富集，導(dǎo)致Ce原子聚集在富鐵區(qū)周圍。由于Ce原子在富鐵相上聚集，使富鐵相的擇優(yōu)生長方向受到阻礙，從而減少片狀富鐵相的產(chǎn)生；當(dāng)Ce元素含量繼續(xù)增加時，在富鐵相上的富集度增加,進(jìn)一步抑制了富鐵相的針片狀生長,使初生富鐵相向細(xì)小的團(tuán)球狀過渡；Ce含量繼續(xù)增加時，可能由于初生富鐵相表面富集層Ce形成中間相，使Ce的富集度降低，從而使富鐵相的片狀形貌增長趨勢增加，且逐漸粗化，形成粗大塊狀的富鐵相。

圖5 Ce原子阻礙富鐵相長大示意圖Fig.5 Schematic diagram of Ce atoms hindering the growth of iron-rich phase

4 結(jié) 論

1)在熔體720 ℃、保溫30 min的條件下8021鋁合金中加入Ce元素，對富鐵相的形貌有顯著影響。隨著Ce含量的逐漸增加，富鐵相逐漸由粗大的針狀、片狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀、短棒狀；當(dāng)w(Ce)=0.2% 時，變質(zhì)效果最好；但當(dāng)w(Ce)=0.3% 時，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象，富鐵相會逐漸變成粗大塊狀。

2)富鐵相形貌變化的原因：Ce原子會在富鐵相周圍聚集，既可以與富鐵相形成新的富鐵化合物，也可以吸附在富鐵相表面，使富鐵相的擇優(yōu)生長方向受到阻礙，從而改變富鐵相的形貌。

3)在熔體720 ℃保溫30 min的條件下加入w(Ce)=0.2%，8021鋁合金鑄錠的維氏硬度最大，為26.1 HV。