简介概要

含铒先进铝合金

来源期刊：稀有金属2005年第4期

论文作者：邹景霞左铁镛金头男聂祚仁付静波杨军军

关键词：铒; 热稳定性; 拉伸强度; Al3Er;

摘要：综述了Er在高纯铝、 Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Li以及Al-Cu合金中的作用情况, 分析讨论了Er在铝及其合金中的作用机制. 结果表明: 对于高纯铝、 Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Li合金来说, 适量Er可以显著细化合金铸态晶粒, 能够在一定程度上抑制再结晶, 提高合金热稳定性, 与此同时可以提高不同热处理状态下的合金的拉伸强度与硬度, Er的细化及强化作用主要与Al3Er相的形成有关;对于Al-Cu合金, Er能够细化枝晶网胞组织, 提高再结晶温度, 然而对合金的力学性能并无益处.

稀有金属 2005,(04),558-562 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.042

含铒先进铝合金

聂祚仁杨军军金头男邹景霞左铁镛

北京工业大学材料科学与工程学院,北京工业大学材料科学与工程学院,北京工业大学材料科学与工程学院,北京工业大学材料科学与工程学院,北京工业大学材料科学与工程学院,北京工业大学材料科学与工程学院北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022

摘要：

综述了Er在高纯铝、Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Li以及Al-Cu合金中的作用情况, 分析讨论了Er在铝及其合金中的作用机制。结果表明:对于高纯铝、Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Li合金来说, 适量Er可以显著细化合金铸态晶粒, 能够在一定程度上抑制再结晶, 提高合金热稳定性, 与此同时可以提高不同热处理状态下的合金的拉伸强度与硬度, Er的细化及强化作用主要与Al3Er相的形成有关;对于Al-Cu合金, Er能够细化枝晶网胞组织, 提高再结晶温度, 然而对合金的力学性能并无益处。

关键词：

铒;热稳定性;拉伸强度;Al3Er;

中图分类号： TG139

收稿日期：2005-01-06

基金：国家“973”重大基础规划研究项目资助课题 (G1999064907);

Advanced Aluminum Alloys Containing Erbium

Abstract：

Effects of rare earth element Er on the high purity aluminum, Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Li and Al-Cu alloys are summarized. Action mechanism of Er in the different alloys is discussed and a conclusion is reached: when alloys such as high purity aluminum, Al-Mg, Al-Zn-Mg and Al-Li are alloyed with Er, most of them are featured with refined grain structure, superior thermal stability and higher tensile strength or hardness at the different heat treatment condition, all these are connected with the formation of Al₃Er particles closely; while the Al-Cu alloy containing Er has inferior mechanical properties though the dendrite structure is refined and thermal stability is improved.

Keyword：

<Keyword>erbium; thermal stability; tensile strength; Al₃Er;

Received： 2005-01-06

稀土元素具有独特的物理、化学性质, 加入到铝及其合金中, 能够细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善组织, 从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的 ^[1,2,3,4] 。因而得到了国内外材料工作者的普遍关注。然而以往关于稀土铝合金的研究大多集中于La, Ce, Y以及混合稀土在某些工业铝合金中的作用效果, 关于单一稀土元素Er在铝及其合金中的作用机制, 国内外的相关报道极少。因此结合我国丰富的稀土资源以及对铝材质量的进一步要求, 本文展开了Er在铝及其合金中的研究工作, 以期为提高铝材质量提供新的途径。

1 Er在铝合金的作用

Er加入高纯铝, Al-Mg, Al-Zn-Mg及Al-Li等系列的合金中, 可以不同程度地改善合金组织结构、提高合金热稳定性以及不同状态下的拉伸性能, 与此同时对塑性影响不大。以下分别讨论Er在不同合金系中的作用情况。

1.1 Er在高纯铝以及Al-Mg系合金中的作用

Er加入高纯铝及Al-Mg合金中, 可有效细化合金的铸态晶粒 (如图1) , 增加合金热稳定性 (再结晶温度提高50℃左右, 如图2所示) , 以及强度、硬度, 而且随着Er含量增加, 在保持塑性基本不变的前提下, 合金强度、硬度提高幅度均增大 ^[4,5] , 这是因为Er在铝合金中主要以Al₃Er粒子的形式存在 (图3) , 这种粒子与Al₃Sc及Al₃Zr结构同为立方晶系、属Pm3m空间群, 与基体铝共格或半共格, 具有熔点高、稳定性好等特点 ^[6,7] 。初生的Al₃Er粒子在凝固时作为非均质形核核心, 提高形核率, 因而使晶粒细化;细小弥散的Al₃Er质点在晶界和晶内析出强化效应、由于细化晶粒所产生的细晶强化效应以及在形变及热处理过程中形成的亚结构强化效应使得合金强度、硬度强度增大;弥散分布的细小Al₃Er质点对位错和亚晶界具有的钉扎作用, 能有效抑制再结晶, 细化再结晶晶粒。

1.2 Er在Al-Zn-Mg系合金中的作用

Er加入Al-Zn-Mg合金, 在细化晶粒 ^[8] 、提高合金热稳定性 (图4) 以及冷轧态强度等方面与其在高纯铝及铝镁合金中作用类似。另外, 由于Al-ZnMg系合金是典型的可热处理强化, 因此对其时效态进行了测试, 结果表明:Er同样可以提高时效态合金的力学性能如图5所示, 其原因主要与Er对合金时效强化相的析出与长大关系密切。其次对含Er Al-Zn-Mg合金的焊接行为作了初步研究, 其结果为Er提高该合金的焊接性能有限, 因为不管是否添加Er, 焊接热影响区组织均已再结晶。因此, Er对焊接性能的改善主要源于对热影响区晶粒的细化, 能够稍微提高焊接强度系数, 减少焊接裂纹。

图1 实验合金的铸态组织

Fig.1 Microstructure of as-cast alloy

(a) 高纯铝; (b) Al-0.76Er; (c) Al-3Mg; (d) Al-3Mg-0.7Er

图2 含Er高纯铝与Al-3Mg合金硬度与退火温度关系曲线 (Ts, Tf分别为再结晶起始温度和终了温度)

Fig.2 Hardness-annealing temperature curve of high pure Al and Al-0.1Er alloy

图3 透射电镜下Al3Er的形貌

Fig.3 Morphology of Al3Er particles

图4 铸态及450℃退火态的合金金相显微组织

Fig.4 Microstructure of as-cast alloy and after annealing treatment

图5 Al-Zn-Mg合金在时效态下的拉伸性能与Er含量关系

Fig.5 Relationship between mechanical properties and Er content of Al-Zn-Mg alloy at under-aged state

1.3 Er在Al-Li合金中的作用

铝锂合金是沉淀硬化材料, 在实际应用时需要经过适当的热处理, 以避免合金中有害相的形成, 同时促进强化相的析出, 使合金具有良好的强韧性。铝锂合金在时效处理后形成的主要强化相是δ′ (Al₃Li) 相 ^[7] , 它为Cu₃Au型超结构, 通常呈球状粒子, 均匀、弥散分布于基体, 一般与基体处于共格关系, 而且随着时效时间的增加而长大。因此Er除了可以改善铝锂合金铸态组织结构外 (见图6) , 主要对该系合金的时效行为有着明显的影响:增加合金时效硬化程度, 同时提前了时效峰值的出现;提高合金时效态强度如图7所示, Er对铝锂合金的细化作用与Al₃Er的形成有关, 对时效态性能的改善主要原因是Er促进了主要强化相δ′的形核与长大。

图6 实验合金的铸态组织

Fig.6 Microstructure of as-cast alloys

(a) Al-Li alloy; (b) Al-Li-0.2Er alloy

图7 Al-Li合金时效态下的拉伸性能与Er含量关系

Fig.7 Relationship between mechanical properties and Er content of Al-Li alloy at under-aged state

1.4 Er在Al-Cu系合金中的作用

稀土元素Er加入Al-4Cu合金, 能够细化枝晶网胞组织, 提高合金的再结晶温度, 但是不能改善Al-4Cu合金的强度 ^[9] , 甚至在一定程度上降低合金的强度。这是因为在Al-4Cu合金中的Er并没有与Al作用形成Al₃Er颗粒, 而是与Al, Cu发生交互作用形成了低熔点共晶Al₈Cu₄Er相 (图8所示) , 该相是一种与Al₈Cu₄Sc类似低熔点共晶化合物, 一般在熔体结晶时形成, 它除了本身降低合金强度外, 还使得合金中的强化相Al₂Cu相的形成趋势和能力减弱, 因此在一定程度上降低了合金的力学性能。

2 结论

作为诸多铝合金的微合金化元素之一, Er具有效果明显, 资源丰富以及价格低廉等优点, 可以成为通过微合金化方法来提高铝合金综合性能的一个重要研究方向。因而, 关于Er对铝合金的改性问题有必要进行深入研究, 分析Er与基体铝及其合金元素的交互作用情况, 探讨Er对不同合金种类及其状态的作用机制, 进而明确Er在不同合金系中的作用及赋存形式, 为Er在铝合金中的应用提供坚实的理论基础以及科学依据, 尽快开发出新型含饵铝合金。