稀土钪对Al-10Mg合金性能的影响*

黄　鑫，张晓燕，高红选，樊　磊，巩向鹏

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)



稀土钪对Al-10Mg合金性能的影响*

黄鑫，张晓燕，高红选，樊磊，巩向鹏

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)

摘要：通过微观分析及力学性能测试等方法，研究了添加稀土元素钪对Al-10Mg合金(ZL301合金)显微组织及力学性能的影响。结果表明，加入适量的钪元素后明显细化了Al-10Mg铸造合金的显微组织，主要是由于钪元素与Al形成颗粒状的稀土化合物Al3Sc相，使合金中Al3Mg2相减少；经435 ℃×16 h固溶处理后，Al3Mg2相基本溶解，稀土化合物Al3Sc相热稳定性较高并未溶解，合金抗拉强度进一步得到提高。当钪元素的添加含量为0.4%时，Al-10Mg合金综合性能最为优良。

关键词：稀土Sc；Al-10Mg合金；显微组织；力学性能

0引言

铝镁合金因具有高耐蚀性、低密度、表面光洁和可切削加工性强等优点，被广泛应用于制造在燃气、海水等腐蚀介质下承受载荷的零部件[1-3]。许多研究表明[4-5]：稀土元素能够使铝镁合金晶粒细化，减少组织偏析，有可能形成Al-RE化合物，从而使其综合性能得以提高；另外，就其它各类型铝镁合金而言，组织的纯净化、细晶化和均质化是提高合金综合性能的基础。稀土在这些方面的作用尤为显著，稀土在铝合金中的存在形式和细化机理一直是稀土铝合金的一个主要研究范畴[6-8]。本文以Al-10Mg合金为研究对象，通过在Al-10Mg合金中加入不同量的钪，研究了稀土钪对Al-10Mg合金性能的影响，为进一步开发出具有更为优良性能的铝镁合金提供实验及理论依据。

1实验材料和实验方法

在纯铝、纯镁的基础上，以Al-Sc中间合金的形式加入钪，配制4种不同钪添加量(质量百分数分别为0，0.2%，0.4%，0.6%)的Al-10Mg合金，镁的氧化烧损率按2%计算[9]。先将纯铝放入石墨坩埚中熔化，740 ℃左右将Al-Sc中间合金压入金属液。熔炼温度控制在780 ℃，搅拌5 min，加入六氯乙烷(C2Cl6)进行精炼，扒渣后浇注到预热至260 ℃左右的钢模中，得到直径为20 mm的铸态试棒，将铸态试棒在箱式电阻炉中进行435 ℃×16 h固溶处理，出炉后60 ℃水冷。最后将试棒加工成图1所示拉伸试样。

常温下，利用CSS-4410电子万能材料实验机测定试样的抗拉强度及延伸率，拉伸速率为2 mm/min；切取金相试样，磨制并用体积分数为4%的HF水溶液腐蚀；利用JSM-T200型扫描电镜及其能谱仪分析合金形貌及元素分布；用X-Pert PRO型X射线衍射仪分析合金中的物相。

图1　拉伸试验试样尺寸图

2实验结果

2.1力学性能分析

图2为不同添加量钪及固溶处理对Al-10Mg合金的力学性能影响的测试结果。可以看出，当钪的添加量在0.2%～0.4%之间时，铸态及固溶态Al-10Mg合金的抗拉强度不断增加，延伸率却变化平缓，当钪的添加量达到0.4%时，表现出良好的综合拉伸性能；进一步增大稀土钪的添加量，达到0.6%时，Al-10Mg合金的抗拉强度、延伸率趋于降低。可见，适当添加量的稀土钪及固溶处理能够使Al-10Mg合金得到有效强化。

2.2组织观察及分析

图3为不同钪添加量的Al-10Mg合金显微组织形貌，观察可知稀土钪对铸态Al-10Mg合金的显微组织有着显著的影响。未添加稀土钪的Al-10Mg合金晶粒相对粗大，且枝晶较为发达(图3(a))；添加0.2%的稀土钪后，合金晶粒有所细化，但细化效果一般，仍能观察到少部分枝晶(图3(b))；伴随着稀土添加量的增加，添加了0.4%和0.6%钪的Al-10Mg合金组织明显细化，晶界析出相增多，且晶粒变得细小(图3(c)、(d))。经过435 ℃×16 h固溶处理、水淬后，铸态Al-10Mg合金中枝晶组织消失，且晶界处析出相大量溶解(图3(e))；观察Al-10Mg-0.4Sc合金(图3(f))，在其晶界及晶界附近区域除析出相溶解之外，在晶界处还残留了一定量的高熔点物相，经XRD分析表明，该物相可能为Al3Sc相(图4)。

图2不同钪添加量Al-10Mg合金的力学性能

Fig 2 Mechanical properties of Al-10Mg alloy with different Sc

图3　不同钪含量Al-10Mg合金的显微组织

图4　不同Sc含量Al-Mg铸造合金的XRD物相分析图谱

图5为固溶态不同钪添加量Al-10Mg合金的微观形貌图，对晶界处(图5(b)中2点)进行微区成分能谱分析：其原子百分比为70.14%Al、6.94%Mg、22.92%Sc(表1)，铝元素与钪元素的原子比约为3∶1，文献表明[10]，该析出相为Al3Sc相。当Sc的添加量为0.2%和0.4%时，Al3Sc相主要是以球状颗粒和短柄状形态在晶界或靠近晶界处弥散分布(图5(a)，(b))；当Sc的添加量达到0.6%时，Al3Sc相的尺寸及数量增大，并且在晶界区域密集分布(图5(c))。

图5　固溶态不同钪含量Al-10Mg合金的微观形貌

3分析与讨论

由Al-10Mg合金力学性能测试结果(图2)，添加适量的稀土钪能不同程度提高铸态及固溶态Al-10Mg合金的抗拉强度和延伸率。Al-10Mg合金的力学性能主要取决于其显微组织特性，铸态Al-10Mg合金的力学性能较低，这与铸态合金中晶粒较为粗大、枝晶发达有关，当加入适量的稀土钪后，其力学性能有所改善，而经过435 ℃×16 h固溶处理后，其力学性能又得到提升。分析可知，首先，稀土钪能够细化铸态Al-10Mg合金晶粒，产生细晶强化作用，EDS分析表明(表1)，钪基本不溶于α-Al基体，而主要是形成Al3Sc相分布于在晶界区域，这说明稀土钪在Al-10Mg合金中的固溶度极低。在凝固过程中，稀土钪趋于富集在固/液界面前沿，这样就增大相界面处成分过冷度，进而促进基体晶粒均匀形核，细化了合金晶粒[11-12]；其次，Al3Sc相的形态及分布也对Al-10Mg合金力学性能存在一定影响，添加适量稀土钪会形成一定数量的细小颗粒状或短杆状Al3Sc相，沿晶界弥散分布(图4(b))，该类形态的Al3Sc相可起到钉扎晶界、阻碍位错运动、防止晶间变形的作用，过量稀土钪会使Al3Sc相的尺寸及数量增大，且在晶界区域密集分布(图4(c))，根据晶界强化理论，粗大的高熔点物相在晶界连续分布将降低晶界结合强度，导致稀土对合金的强化作用减弱；而适当的固溶处理工艺(435 ℃×16 h)，能够使析出相溶解到α-Al基体中，发生点阵畸变，产生固溶强化作用，提高了Al-10Mg合金的力学性能。

4结论

(1)稀土钪通过对晶粒的细化作用，提高了Al-10Mg合金的力学性能；在固溶处理工艺(435 ℃×16 h)条件下，当稀土钪的添加量为0.4%时，Al-10Mg合金的力学性能最为优良，抗拉强度达到249 MPa，延伸率达到5.9%。

(2)在Al-10Mg合金中添加稀土钪形成Al3Sc相，主要是以颗粒状或短杆状形态弥散分布与晶界附近，通过阻碍晶间变形、钉扎晶界使合金力学性能得到提高。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07149-04

基金项目：贵州省科技计划资助项目(GY字[2012]3043); 贵州大学大学生创新训练资助项目(2014003)

作者简介：黄鑫(1990-)，男，贵州毕节人，在读硕士，师承张晓燕教授，从事新型铝合金研究。

中图分类号：TG146.21

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.028

Effect of rare earth Sc on mechanical properties of Al-10Mg alloy

HUANG Xin， ZHANG Xiaoyan，GAO Hongxuan，FAN Lei， GONG Xiangpeng

(School of Materials and Metallurgy Guizhou University, Guizhou 550025, China)

Abstract：Effects of scandium addition and solution treatment on microstructure and tensile properties of Al-10Mg alloy(ZL301 alloy) were investigated by microstructure analysis, mechanical properties testing. The results show that the right amount addition of scandium element to Al-10Mg alloy result in grain refined because of new phase Al3Sc forms after the right amount addition of scandium in the Al-10Mg alloys，The size and amount of Al3Mg2 phase are decreased. After solid solution treatment(435 ℃×16 h), the Al3Sc phase dissolves and the rare earth phase with heat stability remains leading to further improving of the mechanical properties of the alloys. When the content of Sc is 0.4%, the Al-10Mg alloy has good comprehensive properties.

Key words：scandium；Al-10Mg alloy；microstructure；mechanical property

收到初稿日期：2015-05-07 收到修改稿日期：2015-07-28 通讯作者：张晓燕，E-mail: ivzhangxiaoyan@163.com