稀土元素对铝合金性能的影响研究

2023-01-02车海亮

中国设备工程 2022年5期

车海亮

（山西吕梁学院,山西吕梁 033000）

铝合金的制造工艺日趋成熟，但在性能方面仍存在着提升空间，可以在其中加入稀土元素，从微观角度改善铝合金的性能，对其形成有效的作用机制，使铝合金性能更加的稳定。稀土元素与铝合金具有较强的相融性，能够快速与铝合金形成作用，参与铝合金的组成体系，保障铝合金能够顺利实现生产。

1 稀土对铝合金作用机制分析

稀土元素与铝合金具有良好的相融性，可以与铝元素电子轨道进行耦合，提高铝合金的稳定性。稀土元素的种类较多，如镧（La）、铒（Er）等，加入Al-Si系后可以进一步提高合金的耐腐蚀性，使其具有良好的化学性能。下面将对稀土元素对铝合金作用机制进行分析。

1.1 变质作用

稀土元素具有变质作用，可以优化铝合金的结晶状况，使其内部构成更加的稳定。稀土元素可以对结晶状况进行完善，通过变质作用对结晶形状进行限制，有助于细小结晶的形成。相对地，对粗结晶进行限制，降低其形成数量，进而提高铝合金的稳定性。稀土元素不溶于铝基体且作用于晶界处，这样便可以形成膜状结构，对铝合金形成全面的覆盖，对结晶产生变质作用。具有变质作用的稀土元素主要为La、Er等，需要合理地进行使用，使变质作用发挥效果。

1.2 净化作用

稀土元素具有净化作用，可以降低铝合金中杂质的含量，使其具有更高的纯度，进而保障铝合金的性能。净化作用主要体现如下：一方面，可以降低冶炼时铝液中H2、O2、N2等气体的含量，与这些气体发生化学反应，生成难溶于铝液的物质，使气体能够从体系中消除。通过这种方式，可以防止铝液中形成气泡，避免铝合金成型后产生空隙，提高铝合金的铸造质量。以稀土元素La为例，与H2反应后，可生成LaH2且不溶于铝液，进而将H2与铝液进行分离。另一方面，可以与低熔有害物质进行反应，既可以滤除铝合金中的杂质，又能够提高铝合金的纯度，保障净化作用充分发挥效果。

1.3 强化作用

稀土元素具有强化作用，可以对晶体起到固化作用，提升铝合金的强度。强化效果主要由稀土元素的含量决定，不同含量起到的强化效果是不同的。具体作用效果如下：若稀土元素含量不足0.1%，则稀土元素分布在晶界处，以促进细晶生成的形式实现强化效果。若稀土元素含量不小于0.1%，则会有晶粒生成，使铝合金结构形成错位作用，进而增强铝合金的强度。

2 稀土元素对铝合金性能影响分析

2.1 Ce对铝合金性能的影响

在铝合金中稀土元素有助于细化晶粒的形成，对其硬度、强度等性能进行完善。铝合金晶粒结构对强度具有较大影响，通过晶粒的细化作用，可以提高铝合金的抗变形能力，使其晶体结构更加的稳定。通过细小晶体可以降低晶界滑移现象发生，提高晶界结构的稳定性，使晶体具有良好的性能。Ce可作为晶粒细化剂使用，能够对晶体的形状进行调整，促进细小晶体的形成。Ce与Al具有晶体相似性，两者可以进行反应生成Al2Ce，可以起到增强铝合金强度的作用。在品格常数方面，Al2Ce与Al具有较高的相似性，说明Ce对铝合金具有良好的结晶效果，形成的晶核不会对原有晶体造成影响，并且对合金结构性能进行提升。在晶体结构受力方面，Al2Ce具有在铝合金中具有良好的分布特点，能够形成错落有致的结构，使晶界之间具有较高的抗滑阻力，防止晶界出现滑移现象。通过抗滑作用，可以降低晶粒的生长，使铝合金能够保持细小晶体状态，进而保障铝合金的强度。而且，少量的Ce可以增强Al-Ce的屈服强度，能够形成稳定的键间结构，可以防止Al2Ce解析，提高铝合金的抗拉能力，使其具有良好的延展效果。

2.2 Er对铝合金性能的影响

稀土元素Er对铝合金具有强化作用，能够降低铝合金的晶粒粒径，提高铝合金的结构稳定性。在Al-Si体系中加入Er后，可以形成良好的共格关系，形成化合物Al3Er，有助于α-Al枝晶结构的形成，使铝合金性能得以提高。Er的含量对铝合金枝晶的形成具有一定的影响，通常情况下，当Er的含量在0.6%时，能够有效地促进枝晶的形成，同时，将晶体距离控制在较小范围内。通过这种方式，可以对晶粒孔径进行限制，使其呈现为细小晶体状态，可以明显提高铝合金的硬度。若铝合金晶体含有树突状结构，可以加入Er来降低晶体的大小，抑制树突状结构的生成，保障细化晶粒能够顺利地形成。Al3Er形成的结构为立方晶系，且具有较高的熔点，有助于铝合金强度的提升。需要注意的是，在铝合金中Er的含量并不是越高越好，若Er含量超过0.6%，铝合金将会出现不规则结构，对晶体的稳定性造成影响，甚至导致晶体间容易出现断裂，引起铝合金的抗拉强度下降，因而需要将Er含量限制在0.6%以内，保证Er具有良好的性能。

2.3 La对铝合金性能的影响

稀土元素La具有较低的熔点，可以改善铝合金的凝固状况，使其具有良好的微观组织结构。在Al-Si合金体系加入La后，可以提高合金的可塑性，使其更加易于成型，使铝合金加工过程更加的顺利。在La作用下，可以缩短α-Al枝晶间距，使晶体结构更加的稳定。通过加入La可以促进共晶硅粒子的形成，能够有效地抑制晶体错位现象，使晶体呈现规则的排布，使晶体结构能够得到细化。稀土元素La是促进晶核形成的关键，对晶体的大小进行调节，保障晶体的细化程度。La与Al反应能够形成Al4La，主要发生在合金成型过程中，通过熔点的抑制作用，防止合金成型过程中发生断裂，提高铝合金制造的成功率。在La的用量方面，将其控制在0.2%较为适宜，可以对晶体起到良好的细化作用，提高铝合金的力学性能。

2.4 Y对铝合金性能的影响

稀土元素Y可以提高铝合金的性能，使铝合金具有良好的结构特性。Y元素与Al元素的结合形式众多，可以形成化合物AlY、AlY3、Al2Y3等。不同的Al-Y结合方式需要的结合能不同，通常情况下，结合能越大，Al-Y化合物的性质也就越稳定。AlY、AlY3、Al2Y3对应的结合能分别为-545ev、-788ev、-640ev，由此可见，AlY3的结合能最大，具有稳定的键间结构。从热力学角度分析，在铝合金中AlY3最有可能形成，并且可以提高铝合金的稳定性。因此，以AlY3构成铝合金结构具有稳定的性能，需要对结合能进行控制，促进AlY3的形成，使铝合金的稳定性得以保障。此外，Y会对铝合金晶粒细化程度造成影响，以6201铝合金为例，加入Y元素后，晶粒直径由197μm降低至66μm，晶体减少约2/3，因此，稀土元素Y具有良好的晶体细化效果。Y还会影响铝合金的力学性质，通过拉伸试验可以看出，加入Y的铝合金具有良好的断口形态，使晶界具有排布更加的紧密，进而提高铝合金的力学性能。

2.5 Yb对铝合金性能的影响

稀土元素Yb对铝合金性能具有一定的影响，能够对其组织结构进行完善，具体影响内容如下：（1）当Yb含量为0.2%时，可以使晶界具有稳定的状态，避免晶界出现非连续分布的现象。同时，可以增加铝合金的抗腐蚀能力，使其对外界环境具有良好的适应性。（2）可以提高铝合金的抗拉强度。以2519A铝合金为例，可以将抗拉强度由483.4MPa提升至509.3MPa，抗拉强度提高了5.4%，在一定程度上提高了铝合金的力学性质。（3）不同含量对抗腐蚀性影响不同。当Yb含量由0.2%增加至0.4%时，抗腐蚀能力反而出现下降现象，说明需要对Yb的含量进行限制，以此来保障铝合金的抗腐蚀性性能。（4）Yb与H具有较强的结合能力，能够减少铝液中H2的含量，防止铝合金中出现气泡，使铝合金具有良好的密度和硬度。

2.6 Sm对铝合金性能的影响

稀土元素Sm对铝合金具有变质作用，能够影响铝合金的组织结构，使铝合金具有良好的晶体间距。在Al-Si合金体系中，Sm对共晶硅相具有一定的影响，可以使其呈现棒状结构，使晶体结构能够得到细化，进而对晶体大小进行调整，提高铝合金结构的稳定性。Sm元素可对晶体间距进行控制，使间距由51μm下降至15μm，下降幅度为70.6%，使晶体能够紧密地接触，进而保障铝合金的密度。在晶体大小方面，由直径90μm下降至40μm，下降幅度为55.6%，可以将晶体大小缩短至一半以上。由此可见，Sm元素可以作为变质剂进行使用，且对晶体大小、间距等具有较强的调节作用，可以促进铝合金发生变质作用，提高晶体调节的效率，保障晶体具有良好的细化效果。