成分和冷却速度对Al-xEr合金凝固组织的影响

2022-04-09高坤元李浩楠文胜平吴晓蓝聂祚仁

金属热处理 2022年3期

宁静，高坤元，李浩楠，文胜平，黄晖，吴晓蓝，魏午，聂祚仁

(北京工业大学材料与制造学部教育部先进功能材料重点实验室，北京 100124)

在铝合金中加入微量元素Er，可以有效地改善铝合金的综合性能[1-3]。这主要是由于铝合金时效过程中会析出纳米级Al3Er金属间化合物，其弥散分布在铝基体中，具有立方L12结构，并与铝基体共格[4]。Al3Er作为合金中的强化相，其显微组织与合金的性能密切相关。此外，金属间化合物Al3Er具有低密度、高抗氧化性和高熔点等独特的物理性能，是一种潜在的高温结构材料[5]。Er含量超过6%(质量分数)时，Al-Er合金在凝固过程中，熔体中会析出Al3Er金属间化合物，因此，对Al-xEr合金的研究是十分必要的。

目前对Al-xEr合金的研究主要集中于微量Er添加到铝合金中，时效过程析出纳米级金属间化合物Al3Er相，或是共晶反应生成的Al3Er相[1-4,6-7]，而对Al-xEr合金凝固组织研究较少，Meyer[8]将过共晶Al-20Er(质量分数，%)合金加热至完全液态后以不同的速度冷却至室温得到Al3Er和基体铝，再用氢氧化钠溶液将基体铝溶解后，得到了纯的初生Al3Er，发现以较快的速度(85 ℃/h)冷却时，Al3Er相是L12结构；而在极慢的冷却速度(4 ℃/h)下，Al3Er相是hR20结构。但对于除初生Al3Er相之外的凝固组织、中等冷却速度下得到的凝固组织的微观形貌及相结构均未报道。

由于合金成分、冷却速率是金属凝固时最主要的条件[9]，凝固条件的改变将会使相的结构和组织形态发生转变。此外，Er含量较低时，获得的Al3Er相非常少，难以对其进行相关的试验研究。因此，本文选用过共晶Al-xEr(x=10、20、30，质量分数，%)合金，将其加热至液态后以不同的冷却速率冷却得到较大尺寸的凝固组织，之后通过XRD对其结构进行了测定，并通过SEM观察其组织形貌特征。

1 试验材料与方法

选用过共晶Al-xEr(x=10、20、30，质量分数，%，下同)合金，成分见表1。先将其切割成块状，放入直径为φ25 mm的氧化铝坩埚中，然后在真空度10-3Pa的氩气保护下密封于石英玻璃管中，再将Al-10Er、Al-20Er、Al-30Er试样分别加热至850、1000和1100 ℃，保温120 min至完全液态。将加热保温后的试样以60、40和5 ℃/h的速率冷却至固相线500 ℃以下，之后随炉冷至室温。Al-30Er合金的热处理工艺见图1。

表1 Al-xEr合金的化学组成(质量分数，%)

对试样进行热处理后，用2000号砂纸将其表面磨平，用XRD全谱连续快扫对试样中的相结构进行测定，扫描速度6°/min。之后用金刚石研磨膏进行机械抛光。采用Helios Nano-lab 600i场发射扫描电镜的背散射电子模式，观察不同冷却速率下凝固组织的形貌特征。

2 试验结果与分析

2.1 成分对凝固组织的影响

Al-xEr合金以60 ℃/h的速率冷却后的微观形貌，如图2所示。当Er含量为10%时，如图2(a)所示，白色多边形是初生Al3Er相，尺寸约200 μm，并以鱼骨状连接在一起。初生相周围是深灰色晕圈，如图2(a)中箭头所指，其外形类似于初生Al3Er相。与晕圈相连的灰白色区域是共晶组织，呈絮状。当Er含量为20%时，如图2(b)所示，其凝固组织的形貌与含10%Er试样相同，只是初生Al3Er相的尺寸增加了一倍，可达400 μm左右。图2(c)为含30%Er的凝固组织的形貌，可以看到尺寸约为1 mm的初生Al3Er相块状结构，在相同的扫描电镜放大倍数下，只显示出了一部分初生相，相与相之间不存在鱼骨状的连接。随着Er含量的增加，初生Al3Er相的尺寸增大。

对试样进行XRD测定，结果如图3所示。可以看出试样中只存在Al、Al3Er两种相，且都能很好地与PDF卡片上的衍射峰相重合。结合图2分析，白色区域为Al3Er相，深灰色晕圈区域为Al相。

图2 Al-xEr合金在60 ℃/h冷却速率下的SEM图

图3 Al-xEr合金在60 ℃/h冷却速率下的XRD图谱

2.2 冷却速度对凝固组织的影响

图2(c)和图4为不同冷却速率下Al-30Er合金凝固组织的微观形貌。在60 ℃/h的冷却速率下(图2(c))，白色块状区域为初生相，轮廓平直。初生相周围由深灰色晕圈包围，如图2(c)中箭头所示。晕圈周围灰白相间的区域则为共晶结构，呈絮状。在图4(a)中，以40 ℃/h冷却时，白色块状区域是初生Al3Er相，但形貌与60 ℃/h冷却时不同，在图4(a)的上半部分，初生Al3Er相的轮廓为波浪状，而在左下角的轮廓平直。初生相的周围也存在一层深灰色晕圈，如图4(a)中箭头所示。晕圈周围灰白相间的区域为共晶组织，呈条状。图4(b)为在5 ℃/h冷却速率下获得的凝固组织，与图2(c)、图4(a)相比，初生Al3Er相轮廓仅存在波浪状，其尺寸大大增加，表明冷却速率足够慢时，初生Al3Er相充分长大。

图4 Al-30Er合金在不同冷却速率下的SEM图

对不同冷却速率的试样进行XRD分析，衍射光谱见图5。结果表明，以不同的速率冷却时，凝固组织中均含有Al、Al3Er相，但Al3Er相的结构不同。在60 ℃/h的冷却速率下，Al3Er相呈L12结构；在5 ℃/h 的冷却速率下，Al3Er相为hR20结构。当冷却速率为40 ℃/h时，形成的Al3Er相为L12和hR20两种结构并存。

图5 Al-30Er合金在不同冷却速率下的XRD图

从图2和图4可以看出，凝固组织中均出现了Al晕。一般认为，晕圈主要出现在非共晶合金的凝固组织中，晕圈的形成与共晶组织中两相的形核能力和生长速率有关。图6是Al-xEr二元合金相图富铝端的示意图。图6中标出了过冷液体的成分-温度点和耦合生长区。当过共晶Al-xEr合金从液态开始冷却时，熔体中首先会析出初生Al3Er相，液相成分沿着液相线移动，直到达到低于共晶温度的过冷度ΔT处，此时所对应的温度-成分位于共晶生长的耦合区域之外，初生Al3Er相周围会形成Al晕。随着Al晕的生长，晕-液界面附近的液体成分逐渐向耦合区移动。当它移回耦合区的左侧边界时，共晶组织便开始生长。

图6 Al-xEr二元合金相图富铝端的示意图

图7为不同冷却速率下Al-30Er合金中共晶组织的SEM图。结果表明，在60 ℃/h的冷却速率下，共晶组织呈不规则絮状，而在5 ℃/h的冷却速率下，共晶组织呈条状。冷却速率和相结构可能会影响共晶组织形貌。首先，在60 ℃/h的冷却速率下，共晶反应不能完全进行，原子的扩散也受到一定的限制。在这种情况下，共晶相的耦合生长受到抑制，α-Al相和Al3Er相以某种方式独立形核长大，使共晶组织呈不规则絮状。当冷却速率为5 ℃/h时，共晶反应进行得更充分，接近平衡反应。同时，原子扩散充分，共晶的两相能很好地耦合，并以近似条状生长。其次，不同冷却速率下得到的Al3Er相结构不同，如L12或hR20结构。L12结构对称性高，堆垛顺序以3层为周期堆垛，而hR20结构对称性较低，堆垛顺序以15层为周期堆垛，这也可能导致共晶组织形态的不同。