钇含量对Al－1%Mn变形铝合金显微组织和力学性能的影响

许志华，李克，姚立峰，卢敏敏

（南昌大学机电工程学院，南昌 330031）

0 引 言

Al－（1.0%～1.6%）Mn合金属于3系变形铝合金，冷轧后获得的型材具有强度适中、焊接性能好、塑性高、耐腐蚀性强、延展性好等优良的综合性能，在汽车、电子及微电子、能源等领域中的应用越来越广泛［1］。力学、焊接、耐腐蚀性能良好的铝－锰合金常被用于制造汽车散热器［2］，但随着散热器越来越薄，对铝－锰合金的性能提出了更高的要求。目前研究人员主要通过复合和稀土变质的方法来提高该合金的性能。采用复合的方法时，主要以铝－锰合金做芯材、以4系和7系铝合金做皮材，其成本较高。稀土变质是向金属液体中加入稀土变质剂，使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，以提高材料性能的一种方法。在合金中添加适量的稀土元素可以净化熔体、细化组织、强化合金、提高耐腐蚀和焊接性能［3－5］，如在2519铝合金中加入0.1%（质量分数，下同）的稀土钇后，铝合金的硬化速率和室温抗拉强度得到显著提高，当钇的加入量为0.2%时，300℃的抗拉强度为205MPa，比未加稀土钇的提高了30%［6］；在铝合金中加入适量的钪也可以提高合金的力学性能［7－8］；混合添加稀土元素能够提高铝－锰和铝－镁－硅－铁合金的耐腐蚀性能［9］；将钪与锆同时添加到铝－锌－镁－铜合金中，可以提高合金的抗晶间腐蚀、剥落、应力开裂和电化学腐蚀性能［10］，但钪的价格昂贵，不适合在民用3系铝合金中推广应用；吴鹏等［11］尝试在6063合金中加入适量的稀土铒以提高焊接接头的力学性能，发现当铒的质量分数低于0.4%时，接头的力学性能随着铒含量的增加显著增加，但超过0.4%时，力学性能则随着铒含量增加而降低。目前，在铝－锰合金中添加单一稀土钇后的铸态、热轧态和冷轧态的组织及性能的研究还比较少。为此，作者制备了不同钇含量的Al－1%Mn合金铸锭，并依次对其进行固溶、热轧和冷轧处理，研究了钇含量对合金显微组织、拉伸性能以及硬度的影响。

1 试样制备与试验方法

首先将工业纯铝在井式电炉中熔化，然后加入中间合金Al－10%Mn预配成Al－1%Mn合金母材备用。母材的熔炼温度为720～730℃，在200℃的钢模具中浇注；然后将铸锭熔化加入相应量的Al－11%Y中间合金，将温度调至740～750℃保温30min，保温时每10min搅拌一次，确保熔体成分均匀；然后将温度降至720～730℃，加入0.3%的六氯乙烷，精炼10～15min，静置3～5min后在720～725℃浇注成15mm×80mm×120mm的Al－1%Mn铸态合金板，经检测得到铸态铝合金中钇的质量分数如表1所示。

对Al－1%Mn铸态合金进行600℃×12h固溶处理，随后热轧，开轧温度为500℃，保温时间为30min，铝板厚度由15mm依次轧制为10mm→7mm，热轧的总压下率为53.3%；然后冷轧，铝板厚度从7mm依次轧制为5mm→4mm→3mm→1mm，冷轧的总压下率为85.7%，得到Al－1%Mn合金薄板。

表1 铸态铝合金中钇含量（质量分数）Tab.1 Yttrium content of as－cast alloy（mass） %

沿轧制方向截取金相试样，用砂纸依次打磨，呢绒布抛光，用0.5%HF（质量分数）腐蚀后，采用Nikon ECLIPSE MA200型光学显微镜和JE0LJSM－6701F型扫描电镜观察铸态、热轧态和冷轧态试样的显微组织；将终轧后的Al－1%Mn合金试样切割加工成如图1所示的拉伸试样，在DWD－200型微机控制电子式万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2mm·min－1；采用 HV－1000A型显微硬度仪测定铸态合金试样的硬度。

图1 拉伸试样的尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 对铸态显微组织的影响

由图2可见，在未添加钇的Al－1%Mn铸态合金中，初生α－Al晶粒粗大，粒径约为163.5μm，晶界清楚可见；添加0.07%钇后，显微组织明显细化，获得了细小的等轴晶粒，晶粒分布也比较均匀；添加0.31%钇后，显微组织的细化效果最好，初生相晶粒最细小，粒径约为38.2μm，分布也很均匀；添加0.38%钇后，初生相晶粒又有所增大。晶粒细化的原因有：首先，钇的原子半径较大，在初生相α－Al中的固溶度较小，合金凝固时钇聚集在固液界面前沿，引起溶质再分配，使合金产生成分过冷，促进形核和晶粒长大，但形核率大于晶粒的长大速率，所以添加钇后铸态合金的α－Al晶粒得到细化［12］；其次，由于稀土钇是活性元素，可以降低合金液的界面张力，从而降低晶粒的形核功，减小临界形核半径，促进形核，细化晶粒［13］；最后，加入的稀土钇会有部分分布在α－Al晶粒的晶界上，阻止α－Al生长，从而使得晶粒细化［14］。如果加入过量的稀土钇，则其会与铝反应形成大量高熔点的稀土化合物，减弱稀土成分的过冷作用，从而使晶粒有所粗化。

由图3可知，在添加0.31%钇的Al－1%Mn铸态合金的晶界上分布有层片状的化合物，直径约为2μm，EDS分析结果显示，化合物主要由铝、锰、铁、钇元素组成，钇元素的原子分数为3.61%，由此可初步判断该化合物相为Al2Y或AlMnY复杂相。

图2 不同钇含量Al－1%Mn铸态合金的显微组织Fig.2 Microstructure of Al－1%Mn cast alloy with different yttrium contents

图3 钇含量为0.31%的Al－1%Mn铸态合金的SEM形貌和化合物的EDS谱Fig.3 SEM morphology（a）of Al－1%Mn as－cast alloy with yttrium of 0.31%and EDS spectrum （b）of compound

2.2 对热轧态显微组织的影响

图4 不同钇含量热轧态Al－1%Mn合金的显微组织Fig.4 Microstructure of hot rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

从图4可知，在未添加钇以及添加0.38%钇的合金中，大部分晶粒被拉长，并具有明显的轧制方向性，晶粒大小不一，这表明组织变形不均匀；与未添

加钇相比，添加0.31%钇的合金组织更细小，且相对更加均匀，这可能是铸态晶粒度大小不一以及稀土钇形成的金属间化合物抑制晶粒长大引起的。影响组织均匀性的因素主要有：板坯横向厚度不均匀；轧辊靠零不平，两边压下量不一致；板坯在均热时，由于炉子的均匀性不好，温差较大，导致板坯温度不均，一般板两边部的温度会低于中间的温度。图4（c）中的部分晶粒没有被拉长，可能是轧制时发生了强烈的动态再结晶的结果。

2.3 对冷轧态显微组织的影响

图5 不同钇含量冷轧态Al－1%Mn合金的显微组织Fig.5 Microstructure of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents at low magnification（a～b）and high magnification（c～d）

由图5可见，所有晶粒皆沿轧制方向被拉长、变细或者压扁，在晶粒被拉长的同时，晶间夹杂物也随着拉长，使冷轧后出现纤维状组织。在未添加钇的合金中，纤维状组织较粗大；在钇含量为0.31%的合金中，纤维组织更为细小和密集，这可能是微量稀土钇在初生相α－Al中形成了沿晶界分布的弥散金属间化合物，提高了合金的再结晶温度，从而在热轧过程中抑制了晶粒长大。由图5（c）和（d）可见，基体中存在大量细小的颗粒状相，加入0.31%钇的合金中颗粒状相更为均匀。

2.4 对力学性能的影响

由图6可以看出，添加钇后，冷轧态Al－1%Mn合金的拉伸性能得到了不同程度的提高；当钇含量为0.31%时，合金的抗拉强度达到了313.13MPa，伸长率达到了14.8%，而未添加钇的分别为267.62MPa和8.2%。这是因为加入钇后合金中初生α－Al相得以有效细化，在同样的体积中晶粒数量较多，每个晶粒承受的应力小，不易引起应力集中，因而强度得以提高。已有研究结果表明［12，14－16］稀土钇能够提高铝合金的强度和塑性。加入0.38%钇后合金拉伸性能有所下降的主要原因是，金属钇在初生相中的固溶度小，多余的钇主要形成粗大含钇的化合物分布在晶界上，不仅失去了对晶界的钉扎作用，还会导致应力集中，使抗拉强度下降。

图6 钇含量对冷轧态Al－1%Mn合金室温拉伸性能的影响Fig.6 Tensile properties of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

由图7可知，所有试样的拉伸断口都呈现典型的细小韧窝形貌，这说明Al－1%Mn合金的韧性、延展性较好。在未添加钇的合金中，韧窝粗大，且不是很均匀；添加0.1%～0.4%钇后，韧窝变得明显细小、密集，分布也比较均匀，可见其抗拉强度和伸长率明显比未添加钇的好。

图7 不同钇含量冷轧态Al－1%Mn合金的室温拉伸断口形貌Fig.7 Fracture morphology of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

由图8可以看出，加入钇后提高了铸态Al－1%Mn合金的硬度；当钇含量为0.31%时，合金的硬度最大，为39.42HV，比未添加钇的（36.8HV）提高了7.1%。这是因为添加钇元素后，钇原子会置换出合金基体中的铝原子形成置换固溶体，随着钇原子增多晶格畸变程度增大，对合金硬度的提高有利；此外，当钇原子数量超过了其在合金基体中的固溶度后，就会弥散在基体表面起弥散强化作用，从而提高了合金的硬度。当钇含量超过0.31%时，铸态合金的硬度又稍有下降，这是因为当钇原子在基体中弥散分布得较多时，易聚集在一起，减弱了弥散强化的作用，从而会使合金的硬度降低。

图8 不同钇含量Al－1%Mn铸态合金的硬度Fig.8 Vickers hardness of Al－1%Mn cast alloy with different yttrium contents

3 结 论

（1）稀土钇的添加可使Al－1%Mn合金中粗大的初生α－Al晶粒变得细小，钇含量为0.31%时的细化效果最好，α－Al晶粒尺寸从未添加钇时的163.5μm减小到38.2μm。

（2）加入钇后，冷轧态Al－1%Mn合金的拉伸性能显著提高，当钇含量为0.31%时，合金的抗拉强度和伸长率分别从未加入钇时的267.62MPa和8.2%增至313.13MPa和14.8%。

（3）加入钇后，Al－1%Mn铸态合金硬度均有提高，当钇含量为0.31%时，硬度由未加入钇时的36.8HV增至39.42HV。

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