热处理温度对Al-Gd合金凝固组织和硬度的影响

石向东， 李德贵， 曹阿林， 古 斌， 梁柳青

(1. 百色学院 材料科学与工程学院， 广西 百色 533000；2. 广西壮族自治区铝基新材料工程研究中心， 广西 百色 533000；3. 中国热处理行业协会， 北京 100101)

乏燃料为在核电站反应堆使用过的核燃料，仍然具有一定的放射性，所以乏燃料后续必须进行妥善处理[1-2]。目前，大多数国家由于技术与成本等原因，都采取了中间贮存的方式[3-4]。在贮存过程中，中子吸收材料用来保证乏燃料处于安全状态，防止放射性物质污染环境，因此高性能中子吸收材料与乏燃料的有效贮存密切相关[5]。

由于硼具有良好的中子吸收性能并易于制备，硼系材料作为中子吸收材料应用较为广泛，主要包括硼钢、硼铝合金、含硼复合材料等[6-8]。然而因为钢中的硼溶解度很低[9-10]，使得硼钢的中子吸收性能受限；硼铝合金中需要添加浓缩后的10B[11-12]，制造成本与难度大大增加；而含硼复合材料或由于结构强度较低[13]，或者耐腐蚀性能较差[14]使其应用受到影响。

铝钆合金采用Gd作为中子吸收元素，以Al为基体。高中子吸收能力的钆与延展性好的铝相结合，是非常有前景的中子吸收材料。前人对铝钆合金的研究主要集中在钆含量较低的合金[15-19]，对较高钆含量的铝钆合金及其热处理后的凝固组织与硬度的研究较少。因此本文以Al-52%Gd(质量分数)合金为试验材料，主要研究了不同热处理温度对过共晶铝钆合金凝固组织及其硬度的影响。

1 试验材料及方法

本研究以99.99%的高纯铝和99.99%的高纯钆作为原料，通过XSE204型精密电子天平称重，按质量分数配制成Al-52%Gd铝钆合金熔炼原料，然后使用WK系列真空电弧炉抽真空后充氩保护进行熔炼，得到铝钆合金试样。

合金试样在SX-5-12NP型箱式电阻炉中进行热处理，具体工艺参数见表1。因Al-52%Gd合金的共晶温度为650 ℃，所以试样最高加热温度设定在600 ℃，最低加热温度为200 ℃，间隔100 ℃，分别保温60 min，随后各组试样分别自电阻炉中取出空冷至室温。除以上热处理试样外，还保留一组未处理试样(即室温25 ℃ 试样)以便进行对比研究。

表1 Al-52%Gd合金的热处理工艺参数

将经不同温度保温处理的铝钆合金试样，分别进行机械打磨和抛光，用腐蚀剂腐蚀约10 s，所用腐蚀剂为1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O。利用Axio Observer光学显微镜进行较大视场的凝固组织观察，利用SU5000型扫描电镜(SEM)进行微观凝固组织观察。研磨试样粉末适量，利用STAMRT LAB 9型X射线粉末衍射仪(XRD)进行物相鉴别。试样双面磨平后，利用HR-150A型洛氏硬度计进行洛氏硬度测量，测量时在试样中心打1点，在试样圆周1/2半径处均匀打4点，各点硬度的平均值作为试样的表征硬度值。

2 试验结果与分析

2.1 不同热处理温度下的初晶组织

铝钆合金的相图比较复杂，当Gd含量(质量分数)超过65%时，会产生多种铝钆化合物并发生相应复杂相变，而Al-52%Gd合金只有Al及Al3Gd组成的共晶反应，其共晶反应温度为650 ℃，共晶转变点为23%Gd(质量分数)[20]。通过对室温(即25 ℃)以及不同温度保温60 min后的试样进行XRD分析表明，各试样衍射峰的峰位、峰高等都没有发生明显变化，即Al-52%Gd合金凝固组织的物相主要为Al及Al3Gd，图1为未处理和300、600 ℃热处理后铝钆合金的XRD图谱。

图1 未处理及不同温度热处理后Al-52%Gd合金的XRD图谱

图2(a)为室温下Al-52%Gd合金的凝固组织，此试样为真空电弧炉熔炼后室温存放，未进行后续的加热保温处理，而图2(b～f)为熔炼后试样以10 ℃/min的速度分别加热至200、300、400、500及600 ℃保温60 min 空冷后的凝固组织。由图2(a)可以看出，未经热处理的凝固组织中初晶相Al3Gd发达，呈粗大树枝晶形态，数量较少的共晶相分布在初晶相之间。加热至200 ℃后，粗大树枝晶明显细化，如图2(b)所示；当加热至300 ℃时，树枝晶再次粗化，其长度与宽度与未处理时相当，但树枝晶晶干碎化，枝晶垂直于晶干方向显著长大；当加热至400 ℃时，初晶相树枝晶更加粗化，主要表现在晶干更加粗大，呈现出某种局部聚集趋势，但垂直于晶干方向的枝晶碎化；当加热至500 ℃时，初晶相有所细化，局部聚集趋势更加明显，如图2(c～e) 所示。

图2 未处理及不同温度热处理后Al-52%Gd合金的凝固组织

当加热至600 ℃时，粗大树枝晶消失，初晶相Al3Gd明显呈块状分布，且较大块初晶相包围着较小初晶相，使凝固组织由不同大小的块状初晶相区域组成。在区域内部，初晶相较均匀细小，晶粒的长宽比相当，类似等轴晶形态；在区域边缘，初晶相较为粗大，晶粒的长宽比较大，接近长方形态，如图2(f)所示。由图2可以看出，当Al-52%Gd合金加热至600 ℃保温1 h后，其凝固组织发生了显著变化，具体表现为粗大树枝状初晶相Al3Gd完全转变为块状，而加热至500 ℃以下保温1 h，其凝固组织都保持粗大树枝晶形态，仅仅是树枝晶的分布、大小等发生改变。

2.2 不同热处理温度下的共晶组织

在初晶相变化的同时，Al-52%Gd合金凝固组织的共晶相也发生了显著变化，如图3所示。图3中较大块状白亮组织为初晶相Al3Gd，初晶相周围的黑色基体为Al，二者之间的较细小组织为共晶Al3Gd。图3(a)为未经热处理的铝钆合金的凝固组织，可以看出，其共晶相附着在初晶相Al3Gd周围生长，呈较细小的片网状结构；块状初晶相为不规则多边形，且形态及分布不均，尺寸差距较大。

图3 未处理及不同温度热处理后Al-52%Gd合金的共晶组织

当加热至200 ℃保温1 h后，如图3(b)所示，初晶相明显细化，数量增加；与之相对应，其共晶相数量减少，且形态由片网状变化为针状，其附着于初晶相Al3Gd周围，或直接在Al基体上生长。当加热至300 ℃时，初晶相相较200 ℃时粗化，其形态除保留部分块状外，还有大量板条状出现，板条之间有块状初晶相伴生；共晶相呈片层状，明显附着在板条状初晶相上生长，而块状初晶相上较少。当加热至400 ℃后，板条状初晶相碎化，大量尺寸、形态不一的块状初晶相出现，共晶相较300 ℃保温处理时减少，其形态由片层状转变为短针状；当加热至500 ℃后，初晶相去板条状倾向更加明显，甚至在白色的初晶相Al3Gd基体上有黑色的Al生长，形成对初晶相分割趋势，共晶相也相应细化，多呈短杆状，且有脱离初晶相而独立生长趋势，如图3 (e)所示。

当加热至600 ℃保温1 h后，如图3(f)所示，初晶相转变为类等轴晶形态，尺寸大小接近，均匀分布在黑色的Al基体上；在大块初晶相附近存在小块初晶相，小初晶相有的独立，有的与大块初晶相少许连接；共晶相呈点状弥散分布在初晶相之间，其独立存在，不再附着于初晶相生长。与未处理的凝固组织相比，经热处理后的共晶相得到细化，且随着加热温度的升高，共晶相细化程度越来越高，其形态也由原来的片网状逐渐转变为短杆状，直至点状弥散分布，并且共晶相的生长方式也由原来的附着在初晶相周围生长逐渐转变为在Al基体上独立生长。

2.3 不同热处理温度下的硬度

图4为Al-52%Gd合金在不同温度保温1 h后的硬度曲线，其中曲线1为试样中心位置硬度，曲线2为试样平均硬度。从图4可以看出，经过保温处理后的铝钆合金硬度有所下降，但并非随着加热温度的升高而逐渐下降，而是在200 ℃保温其硬度达到极小值后，随着温度的升高其硬度回升然后再次下降，600 ℃保温后达到最小值。

图4 未处理及不同温度热处理后Al-52%Gd合金的硬度

Al-52%Gd合金的中心硬度与平均硬度随温度的变化趋势总体一致，但各保温温度又各有特点。未处理以及200、400、500和600 ℃保温后的硬度，其中心与均值相差较小，在1%～5%范围内。300 ℃保温1 h后，其中心点硬度值明显高于平均硬度，二者差值约15%，与其他试样差距较大。

图5为Al-52%Gd合金在不同温度保温后的低倍形貌，图5(a)显示，室温下的组织较为致密，缩孔弥散分布在基体上，结合图2和图3可以看出，此时硬度较高的Al3Gd初晶相粗大发达，所以其硬度较高，且中心值与均值相差较小。当200 ℃保温后，铝钆合金的凝固组织中出现了大量均匀分布的缩孔，这些缩孔之间以基体组织分隔，起到了一定强化作用，所以相较室温组织虽然其硬度降低了约15%，但中心值与均值相差较小。经300 ℃保温后，中心组织致密，且大量板条状Al3Gd初晶相起到了强化作用，因此其硬度大幅回升，接近室温时硬度；但在试样1/2半径部位出现了局部聚集的大量缩孔，使得其硬度相较中心有较大幅度的降低。经400 ℃、500 ℃保温后，铝钆合金的凝固组织再次均匀化，其中心硬度与均值相当，曾经大量出现的缩孔基本消失，但因为块状Al3Gd初晶相的细化，总体中心硬度低于有大块Al3Gd初晶相强化的室温和300 ℃保温后的硬度。

经600 ℃保温1 h后，Al-52%Gd合金的凝固组织发生了显著变化，即曾经粗大发达的树枝状Al3Gd初晶相消失，由大量类等轴晶形态的初晶相取代，如图5(f)所示。较为细小均匀的Al3Gd初晶相由粗大初晶相包围，形成不同的区域，在这些区域之间出现大量缩孔，有的缩孔相互贯通，形成较长空隙。因此，由于大量缩孔的存在以及强化相Al3Gd的细化，使得经600 ℃保温后，Al-52%Gd合金的硬度达到最小值，与室温时相比下降约25%；但由于缩孔及初晶相在宏观上分布较为均匀，其中心硬度与均值硬度接近。

3 结论

1) 未经热处理以及加热温度在500 ℃以下时的Al-52%Gd 合金凝固组织，主要为粗大发达的树枝状Al3Gd初晶相，但在600 ℃保温1 h后，粗大树枝晶被相对细小的类等轴晶区所取代，其形态也由大小不一的块状多边形，逐渐向板条状、板条状碎化、类等轴晶形态转变。

2) 随着加热温度的升高，Al-52%Gd合金凝固组织中的共晶相形态逐渐由片网状向短杆状、点状过渡，分布也由局部聚集逐步向均匀弥散分布转变，其生长方式则由附着在初晶相周围生长向自铝基体中独立生长转变。

3) 经热处理后的铝钆合金硬度有所下降，但并非随着加热温度的升高而逐渐下降，而是在200 ℃保温后其硬度达到极小值后，随着加热温度的升高其硬度回升然后再次下降，600 ℃保温后达到最小值。合金的中心硬度与平均硬度随加热温度的变化趋势总体一致，其差异主要由凝固组织的疏松和初晶相Al3Gd的形态与分布决定。