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稀有金属 2019,43(02),219-224 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18010039

富Ce稀土与超声场对Al-Si合金中富铁相的影响

张镇凯 郭永春 夏峰 李建平

西安工业大学材料与化工学院

摘 要：

研究了富Ce稀土变质与超声场的协同作用对Al-11.5Si-3.8Cu-2.6Ni-0.5Mg-0.45 Fe合金中富铁相 (α-Al₅FeSi) 形貌以及尺寸的影响, 并进一步研究了两种处理方式下合金高温拉伸性能的变化。采用光学显微镜 (OM) 、扫描电镜 (SEM) 对试样微观组织进行观察, 通过能谱仪 (EDS) 、 X射线衍射仪 (XRD) 进行相分析。结果表明:在富Ce稀土变质与超声场的协同作用下, α-Al₅FeSi相从多边形大块状转变为不规则的小块状;其平均等积圆直径从38.23μm减小到13.8μm;合金的350℃抗拉强度从104.1 MPa增加到116.9 MPa, 延伸率从3.2%增大到4.8%。稀土元素在α-Al₅FeSi相界面上的富集改变了界面前沿的熔体结构, 对α-Al₅FeSi相的生长有抑制的作用。超声空化作用产生的局部高温高压促进了固液界面溶质富集区溶质的传输和扩散, 从而能一定程度地碎化α-Al₅FeSi相, 经过稀土变质处理之后, 超声处理的碎化效果加大。

关键词：

Al-Si合金;富Ce稀土;超声处理;富铁相;

中图分类号： TG146.21

作者简介：张镇凯 (1993-) , 男, 陕西汉中人, 硕士研究生, 研究方向:轻合金基复合材料, E-mail:18792473497@163.com;*郭永春, 教授;电话:13519108385;E-mail:yc-guo@163.com;

收稿日期：2018-01-22

基金：装备预研领域基金重点项目 (61409220103);陕西省创新人才推进计划-科技创新团队项目 (2017KCT-05) 资助;

Iron-Rich Phase in Al-Si Alloy affected by Ce-Rich Rare Earths and Ultrasonic Field

Zhang Zhenkai Guo Yongchun Xia Feng Li Jianping

School of Materials and Chemical Engineering, Xi'an Technological University

Abstract：

The combined effects of Ce-rich rare earths (RE) modification and ultrasonic field on morphology and size of iron-rich phase (α-Al₅FeSi) in Al-11.5 Si-3.8 Cu-2.6 Ni-0.5 Mg-0.45 Fe alloys were investigated and elevated temperature tensile properties of the alloy were analyzed. The microstructure was observed by optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) . The phase observation and analysis of the alloy were conducted by energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD) . The results showed that the α-Al₅FeSi phase proceeded by Ce-rich RE modification and ultrasonic field was transformed from the massive polygons to the irregular small lumps. The equal-area-circle diameter of α-Al₅FeSi phase decreased from 38.23 to 13.8 μm. The tensile strength at 350 ℃ of alloy increased from 104.1 to 116.9 MPa, and the elongation increased from 3.2% to 4.8%. The melt structure at the tip of α-Al₅FeSi phase was transformed due to enrichment of rare earth, which hampered the growth of α-Al₅FeSi phase. The spread and diffusion of solute in the solute-rich region at the solid-liquid interface was promoted because of high temperature and pressure generated by ultrasonic cavitation, which could break the α-Al₅FeSi phase to a certain degree. After the modification of rare earth, the fragmentation of the ultrasonic treatment became obvious.

Keyword：

Al-Si alloy; Ce-rich rare earths; ultrasonic treatment; iron-rich phase;

Received： 2018-01-22

Al-Si合金在高温下具有高强度以及优异的抗疲劳和抗磨损性能, 其在汽车发动机活塞等高温工作部件中得到广泛的应用 ^[1,2,3] 。 在多元Al-Si合金中, 主要将硅相和各种金属间化合物作为高温强化相 ^[4,5,6] 。 研究发现富铁相有助于提高合金的高温性能 ^[7,8] , 然而粗大针状或板片状的富铁相极大地危害了铝合金的性能, 因此通过合适的处理方法来改善Al-Si合金中富铁相的微观形态是很有必要的。 国内外的研究者在稀土元素对富铁相的变质作用方面做了很多研究。 杨怀德等 ^[9] 研究了富Ce混合稀土对再生Al-Si合金富铁相变质行为的影响, 发现富Ce混合稀土不仅可以抑制初生α-Fe相长大, 且能抑制汉字状α-Fe相生成。 Shi等 ^[10] 在对Al-1Fe合金的研究中表明, 当混合稀土的加入量为0.3%时, Al-Fe相由最初的片状或针状转变为短杆状或椭球状; 铸态时未添加稀土时合金抗拉强度为84.03 MPa, 稀土量为0.3%时抗拉强度为86.42 MPa。 在铸造过程中, 超声场的施加能有效改善组织形态 ^[11,12] 。 Zhang等 ^[13] 以Al-12Si-2Fe合金为研究对象, 结果表明, 熔体温度660 ℃以上超声处理后, 针状β-AlSiFe相转变为块状或多边形状的亚稳态α-AlSiFe相, 富铁相的形态得到了很大程度的改善。

本文研究了富Ce稀土与超声场的协同作用对Al-11.5Si-3.8Cu-2.6Ni-0.5Mg-0.45Fe合金富铁相及其力学性能的影响, 并进一步探讨了两种处理方式对多元Al-Si合金中富铁相的作用机制。

1实验

本实验所用的Al-Si合金由西安工业大学复合材料研究所提供, 成分如表1所示。 采用中频感应炉熔炼, 熔体达到800 ℃后, 加入0.35%La-Ce混合稀土进行变质处理, 保温10 min。 将熔体温度控制到730～750 ℃进行除气, 静置10 min扒渣。 待熔体温度降至720 ℃后, 施加超声处理。 处理90 s后, 将铝液浇入已预热到300 ℃的钢模, 所得板状试样尺寸为210 mm×20 mm×100 mm。 对 (1) 未处理、 (2) 稀土变质处理、 (3) 超声处理、 (4) 稀土变质处理与超声处理4组实验取样进行对比。

超声波熔体处理装置如图1, 主要包括超声波发生系统、 熔炼系统和温度采集系统。 超声施振方式为熔体中心顶部导入超声波, 超声工作头入深度为20 mm。 超声波发生器输出工作频率为 (20±0.5) kHZ, 功率为3000 W。

将所制得的试样进行热处理 (T6) 。 在板状试样长度方向距侧面20mm处截取金相试样, 使用光学显微镜 (OM, LEICA-DM2700M) 和扫描电镜 (SEM, Quanta-400F) 观察截面中部微观组织, 通过能量色散光谱仪 (EDS, INCA) 检测相的元素组成, 并用X射线衍射仪 (XRD, XRD-6000) 进行物相分析。 沿试样长度方向取样制成拉伸试棒, 其尺寸如图2所示。 使用电子万能拉伸试验机 (D2-0200-1) 进行350 ℃高温拉伸性能测试, 拉伸速率设定1 mm·min^-1。 将断裂后的拉伸试样制成扫描试样, 观察试样拉伸裂纹微观形貌。

表1Al-Si合金成分

Table 1Composition of Al-Si alloy (%, mass fraction)

Element	Si	Cu	Ni	Mg	Fe	Al
Content	11.5～11.8	3.8～4.0	2.6～2.8	0.5～0.8	0.4～0.5	Bal.

图1 熔体超声处理装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of melt sonication device

1-Thermocouple;2-Temperature acquisition equipment;3-Metal melt;4-Crucible;5-Horns;6-Ultrasonic transmitter;7-Ultrasonic control cabinet

2结果与讨论

2.1 XRD与能谱

图3为本实验所用Al-Si合金的X射线衍射图谱。 从图3中可以得出, 该合金中含有α-Al, Si, α-Al₅FeSi, δ-Al₃CuNi, Mg₂Si等相。

图4与表2为合金的能谱分析结果。 通过对比X射线衍射图谱 (图3) , 可以确定图4 (a) 中浅灰色块状组织为α-Al₅FeSi相 (A) , 其能谱结果中含有一定量的Ni元素, 这是由于Fe和Ni的原子半径相当, Ni固溶到α-Al₅FeSi中置换了部分Fe原子。 深灰色块状组织为初生Si相 (B) , 亮白色板条状组织为δ-Al₃CuNi相 (C) 。

图2 拉伸试样尺寸

Fig.2 Dimensions of tensile sample (mm)

图3 合金的X射线衍射图谱

Fig.3 XRD pattern of alloy

2.2 微观组织

图5为不同处理方式后合金的微观组织, 其中深灰色相为α-Al₅FeSi相, 浅灰色块状相为初生Si相。 未处理时合金的微观组织如图5 (a) , α-Al₅FeSi相呈四边内凹的大块状, 其平均尺寸达到38.23 μm。 富Ce稀土变质处理后, α-Al₅FeSi相的形态发生了较大的改变, 如图5 (b) , 由多边形大块状变成了十字交叉状的星形。 通过图5 (c) 可以看出, 超声处理后部分块状α-Al₅FeSi相被分散。 图5 (d) 为稀土变质与超声处理后的微观组织, α-Al₅FeSi相较图5 (c) 相比更加分散, 并均匀分布在基体中, 平均尺寸从未处理时的38.23 μm减小到18.56 μm。

表2合金的能谱分析结果

Table 2EDS results of alloy (%, atomic fraction)

Points	Al	Si	Cu	Ni	Fe	Phase
A	69.92	12.49	0.48	3.08	14.04	α-Al5FeSi
B	4.33	96.70	-	-	-	Si
C	61.53	1.44	13.85	22.41	0.77	δ-Al3CuNi

图6为不同处理方式下合金的扫描照片, 可以从中更为明显地看出α-Al₅FeSi相在不同处理方式下形态的变化。 未处理时α-Al₅FeSi相呈四边内凹的大块状。

图4 合金的微观组织和A点处的能谱分析

Fig.4 SEM image of microstructure of alloy (a) and EDS analysis at Point A (b)

图5 不同处理方式下合金的微观组织

Fig.5 Microstructure of alloy under different treatments

(a) Untreated; (b) RE modification; (c) Ultrasound treatment; (d) RE modification and ultrasound treatment

富Ce稀土变质处理后α-Al₅FeSi相的形态如图6 (b) 所示, 边界向内凹陷, 由多边形大块状变成了星形。 图7为富Ce稀土变质处理后α-Al₅FeSi相的面扫描元素分布图, 可以发现α-Al₅FeSi相内凹的四边富集了大量铈元素以及少量镧元素, 文献 [ 14] 也有类似的报道。 稀土元素在铝基体中的溶解度极小, 同时稀土元素是表面活性元素, 很容易吸附在α-Al₅FeSi相界面上, 使系统的能量降低。 吸附在界面上的稀土元素与其他合金元素发生反应生成富稀土相, 改变了α-Al₅FeSi相界面前沿的熔体结构, 对其生长有抑制的作用, 因此α-Al₅FeSi相的四边生长受到阻碍而呈十字交叉状的星形。

超声处理后合金的微观组织如图6 (c) , 在α-Al₅FeSi相上出现了数量不等的孔洞, 一些孔洞从边缘产生向内部延伸, 直至两个或多个孔洞相连, 使得α-Al₅FeSi相碎化。 部分α-Al₅FeSi相已经从大块状碎化为不同形状的小块状 (箭头A) 。 当对金属熔体进行高能超声处理时, 会产生空化效应, 引起局部的高温高压 ^[15] 。 在α-Al₅FeSi相界面上的某些缺陷处易进行空化泡的形核, 如图6 (c) 中箭头B和箭头C所指。 空化效应产生的局部高温会使界面处的α-Al₅FeSi相迅速熔化, 由于局部高压产生的冲击作用使得这些区域溶液加速流动, 促进了α-Al₅FeSi相固液界面溶质富集区溶质的传输和扩散, 阻碍了此处α-Al₅FeSi相的继续生长。 在超声处理过程中, 空化作用的产生是周而复始的, 空化泡反复产生、 长大、 破裂, 最终促使了α-Al₅FeSi相上孔洞的加大。

图6 (d) 为富Ce稀土变质与超声处理协同作用下的微观组织, 稀土的作用阻碍了α-Al₅FeSi相的四边向外生长, 超声处理的作用 (箭头D) 使后α-Al₅FeSi相上孔洞增大, 在两种处理方式的共同作用下α-Al₅FeSi相被碎化。 此外, 稀土元素在四边的富集加大了铁相四边相界面的晶格错配程度与机率, 从而可能会促进空化作用的产生, 使得超声处理碎化α-Al₅FeSi相的程度加大。

图6 不同处理方式下合金的扫描照片

Fig.6 SEM images of alloy under different treatments

(a) Untreated; (b) RE modification; (c) Ultrasound treatment; (d) RE modification and ultrasound treatment

图7 富Ce稀土变质处理后, α-Al5FeSi相面扫描元素分布图

Fig.7 Surface scanning elemental distribution of α-Al₅FeSi phase after RE modification

2.3 高温拉伸性能

图8为热处理后合金高温拉伸数据。 合金熔体在富Ce稀土变质与超声处理的共同作用下, 相比未处理时其350 ℃抗拉强度从104.1 MPa增加了12.3%达到116.9 MPa, 延伸率从3.2%增大到4.8%。

本文中Al-Si合金高温拉伸性能的提高主要是由于合金中高温强化相α-Al₅FeSi相形态以及大小的改善作用。 此外稀土变质和超声处理对初生硅、 共晶硅也有一定程度的改善作用, 其也有利于高温拉伸性能的提升。 图9 (a, b) 为Al-Si合金未处理时, 350 ℃拉伸断口微观形貌。 断面上可以观察到大块α-Al₅FeSi相以及初生硅相, 从图9 (b) 中可以看出, 裂纹在大块α-Al₅FeSi相以及初生硅上产生。 大块α-Al₅FeSi相、 初生硅、 δ-Al₃CuNi相以及共晶硅等脆性相均可作为裂纹扩展通道。 当这些脆性相连接到一起时就很易形成一条较大的裂纹, 裂纹尺寸越大越容易扩展, 最终导致材料的断裂。 图9 (c, d) 为合金经稀土变质与超声处理后, 350 ℃拉伸断裂微观形貌, 初始裂纹仍在α-Al₅FeSi相和初生硅上产生。 对比图9 (b, d) , 观察到α-Al₅FeSi相以及初生硅相尺寸有较大程度地减小, 因此初始裂纹的尺寸随之减小, 从而裂纹尖端铝基体处的应力集中降低, 裂纹的扩展能力降低。 综上所述, 合金中α-Al₅FeSi相和初生硅等相的改善能有效阻碍微裂纹的扩展, 提高合金的力学性能。

图8 不同处理方式下合金的350 ℃抗拉强度和延伸率

Fig.8 Tensile strength and elongation of alloy at 350 ℃ under different treatments

图9 不同处理方式下合金的350 ℃拉伸断口微观形貌

Fig.9 Tensile fractured microstructure of alloy at 350 ℃ under different treatments

(a, b) Untreated; (c, d) RE modification and ultrasound treatment

3结论

1. 稀土元素Ce会抑制富铁相 (α-Al₅FeSi) 的生长, 通过富Ce稀土变质处理富铁相由多边形大块状转变为星形; 超声处理能一定程度地碎化富铁相, 并且经过稀土变质处理之后, 超声处理的碎化效果加大。

2. 富Ce稀土变质处理和超声处理的协同作用下, 富铁相 (α-Al₅FeSi) 从未处理时的多边形大块状转变为不规则形状的小块状, 其平均尺寸从未处理时的38.23 μm减小到18.56 μm。

3. 通过富Ce稀土变质和超声处理的协同作用, 与未处理时相比, 合金的350 ℃抗拉强度从104.1 MPa增加了12.3%达到116.9 MPa, 延伸率从3.2%增大到4.8%。

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