Ce含量对8021铝合金凝固组织的影响

2022-06-09穆星伟许光明

轻合金加工技术 2022年2期

穆星伟，杜恺，吕成，许光明

(1.东北大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110819; 2．东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819)

Al-Fe系合金具有质量轻、耐热性和热稳定性好等优良的力学性能[1]，价格低，原料丰富，使其可以取代部分常规耐热铝合金，在抗腐蚀涂层、汽车、发动机、航空航天等领域具有广阔的应用前景[2]。但是制约Al-Fe系合金进一步发展的一个关键的问题是Al-Fe金属间化合物有害的形貌。由于Fe在Al中的固溶度很低仅为0.052%，当Fe的加入量超过其在Al中的极限固溶度时，会与Al或其他合金元素反应，形成质脆的针状、片状析出相。这些析出相主要是以Al3Fe、Al6Fe等形式存在[3-4]，质脆粗大的析出相会割裂基体，大大降低材料的力学性能[5]。

本实验通过在8021铝合金中加入不同含量的稀土元素Ce，探究稀土元素Ce对8021铝合金中富铁相形貌和力学性能的影响，并分析变质机制，以期为工业上制备性能优异的铝铁合金提供一种新的方法。

1 实验过程

8021铝合金由工业纯铝(99.9%)和Al-50Fe中间合金配制而成。稀土元素Ce以Al-10Ce中间合金的形式加入，w(Ce)设定为0、0.1%、0.2%、0.3%。采用工业电阻炉熔炼，熔炼温度为720 ℃，加入C2Cl6进行精炼，保温30 min，在锥形铁模中浇铸，得到四组铸锭，铸锭成分如表1所示。从铸锭中央切取8 mm×10 mm×10 mm的试样，分别用砂纸进行粗磨、细磨，再在金相抛光机上进行粗抛和精抛，然后对试样进行金相分析、SEM形貌分析、能谱分析和硬度测试等。

表1 四组铸锭的化学成分(质量分数/%)Tab.1 Composition of four groups of ingots(wt/%)

2 实验结果

2.1 金相组织

图1为添加w(Ce)=0%、0.1%、0.2%、0.3% 的8021铝合金铸锭金相组织。

图1 加入不同含量Ce的8021铝合金金相组织图Fig.1 Metallographic structure of 8021 aluminum alloy with different contents of Ce

如图1a所示，当w(Ce)=0%时，富铁相以纤维状、粗大的针状、片状等形式分布在基体上，其尺寸大小各异，分布不均匀。与图1a相比，当加入Ce元素后，富铁相的组织形貌发生了显著变化。当w(Ce)=0.1%时，Al-Fe相出现部分变质，大部分富铁相的形貌为分布较为均匀的长条状、块状，片状的富铁相明显减少；当w(Ce)=0.2%时，变质效果最优，富铁相的形貌为点状、短棒状，长条状、羽毛状的富铁相明显减少，几乎不存在；当w(Ce)=0.3%时，出现过变质现象，点状、短棒状的富铁相明显减少，块状的富铁相增加且变得粗大。

2.2 扫描组织

图2为8021铝合金组织形貌面扫图。由图2可知，在晶界上分布着大量的Fe元素，这些偏聚的Fe元素会形成形貌各异的Al-Fe相；稀土元素Ce富集在Fe元素周围，同样分布在晶界上。

图2 w(Ce)=0.1%的8021铝合金面扫图Fig.2 EDS map scanning of 8021 aluminum alloy with 0.1% Ce

图3为8021铝合金的能谱图。表2为富铁相的成分能谱分析结果。可以看出，A、D两点Fe、Ce元素聚集在一起且含量较高，形貌为短棒状；B点为Ce元素单独聚集在一起，形貌为块状；C点中没有Ce元素的存在，富铁相形貌并没有发生改变，依旧为长条状。

表2 图3中富铁相的成分能谱分析结果(质量分数/%)Tab.2 Energy spectrum analysis results of iron-rich phase composition in Fig.3(wt/%)

图3 w(Ce)=0.1%的8021铝合金的EDS能谱图Fig.3 EDS spectra of 8021 aluminum alloy containing 0.1% Ce

2.3 硬度测试

不同Ce含量的8021铝合金铸锭的硬度如图4所示。随着Ce含量的增加，硬度逐渐增加，当w(Ce)=0.2%时，8021铝合金的硬度最大，为26.1 HV；继续增加到w(Ce)=0.3%时，硬度又有略微下降，为25.2 HV，这与金相观察结果相吻合。

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

3 结果分析与讨论

由于Al和富铁相的熔点相差悬殊，在非平衡凝固条件下，伪共晶区偏向高熔点相即富铁相一侧。在冷却速度较大时，其共晶组织形貌为亚共晶组织形貌，即α-Al+共晶组织[6]。由于Fe在α-Al中的溶解度很低，在冷却速度较大时，先析出相α-Al会将Fe原子推向界面前沿，随着界面前沿Fe含量的增加，富铁熔体中会发生共晶转变，形成点状、棒状连接而成的纤维状的富铁相，随着Fe含量继续增加，纤维状的富铁相会继续长大，从而形成羽毛状、板条状的富铁相[7]。

如图5所示，当在8021铝合金中加入Ce元素后，随着8021铝合金凝固的逐渐进行，Ce和Fe会在结晶前沿的液相中富集，这时，融入α-Al基体内的Ce原子会引起晶格畸变,导致系统的能量增加[8]。因此,为了使其自由能最低，达到稳定状态，Ce原子只能向原子排列不规则的晶界上富集，导致Ce原子聚集在富铁区周围。由于Ce原子在富铁相上聚集，使富铁相的择优生长方向受到阻碍，从而减少片状富铁相的产生；当Ce元素含量继续增加时，在富铁相上的富集度增加,进一步抑制了富铁相的针片状生长,使初生富铁相向细小的团球状过渡；Ce含量继续增加时，可能由于初生富铁相表面富集层Ce形成中间相，使Ce的富集度降低，从而使富铁相的片状形貌增长趋势增加，且逐渐粗化，形成粗大块状的富铁相。