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稀土 Ｌａ 对 ２０２４ 铝合金铸态组织的影响 ① 刘 峤， 肖来荣， 张宏领， 曾德露， 王彦红， 赵小军 （中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 制备了稀土 Ｌａ 添加量分别为 ０、０．１％、０．２％、０．３％的 ２０２４ 铝合金，通过 Ｘ 射线衍射、金相、扫描显微组织分析和力学性能 测试，研究了 Ｌａ 对 ２０２４ 铝合金铸态组织与性能的影响。 研究结果表明随着 Ｌａ 的添加，２０２４ 铝合金铸态组织逐渐细化，当 Ｌａ 添 加量为 ０．２％时，铸态晶粒尺寸达到 ８０ μｍ；当继续提高 Ｌａ 添加量时，合金的铸态组织会逐渐粗化；Ｌａ 的添加在 ２０２４ 铝合金中生成 了第二相，并以化合物的形式在晶界处存在。 关键词 稀土； Ｌａ； ２０２４ 铝合金； 铸态组织 中图分类号 ＴＧ１４６文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０５．０３２ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１４）０５－０１３４－０３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｏｎ Ａｓ⁃ｃａｓｔ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ２０２４ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ ＬＩＵ Ｑｉａｏ，ＸＩＡＯ Ｌａｉ⁃ｒｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ⁃ｌｉｎｇ，ＺＥＮＧ Ｄｅ⁃ｌｕ，ＷＡＮＧ Ｙａｎ⁃ｈｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏ⁃ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｕｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ２０２４ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ａｓ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ Ｌａ ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｔ ０， ０．１％， ０．２％ ａｎｄ ０．３％， ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｌａ ｏｎ ａｓ⁃ｃａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ２０２４ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ Ｘ⁃ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ， ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ， ｏｗｉｎｇ ｔｏ Ｌａ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ａ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｓ⁃ｃａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｌａ ａｔｔａｉｎｓ ０．２％， ｔｈｅ ａｓ⁃ ｃａｓｔ ｇｒａｉｎ ｒｅａｃｈｅｓ ８０ μｍ． Ｙｅｔ， ｔｈｅ ａｓ⁃ｃａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｌｏｙ ｃｏａｒｓｅｎｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｗｈｅｎ Ｌａ ｅｘｃｅｅｄｓ ０．２％． Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｌａ， ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ⁃ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｏｆ ２０２４ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ；Ｌａ； ２０２４ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ； ａｓ⁃ｃａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ２０２４ 铝合金是一种高强高韧可热处理的 Ａｌ⁃Ｃｕ⁃Ｍｇ 系合金，由于其优异的机械性能和稳定性，在航空航天 和地面车辆的结构材料中得到广泛的应用［１］。 许多 研究工作者证实在铝合金中添加适量的稀土元素可以 强化合金、净化熔体并达到细化组织等效果，从而提高 合金的力学性能、高温抗裂性能和物理及其工艺性 能［２－８］。 赖人铭等人［９］发现在 Ａｌ⁃４．５％Ｃｕ 合金中添加 少量 Ｃｅ 可以减小合金中 Ｃｕ 的平衡分配系数，Ｃｕ 越过 界面进入固溶体变得困难，增大了界面前沿边界处的 溶质元素 Ｃｅ 和 Ｃｕ 的溶度梯度，导致合金成分过冷 和不稳定扰动增加，促使界面成长形状从平直界面 向胞状发展，并缩小二次枝晶的间距；在 ６０６３ 铝合金 中添加适量 Ｌａ 有利于提高合金力学性能和耐腐蚀性 能。 古文全等人［１０］添加适量 Ｌａ 到 Ａｌ⁃１０Ｍｇ 合金铸锭 中，证实 Ｌａ 可显著细化晶粒，并形成颗粒状及短杆状 Ａｌ⁃Ｌａ 化合物，提高合金力学性能。 周年润等人［１１］利 用复合添加 Ｌａ、Ｚｒ 和 Ｃｒ 生成高温稳定的 Ａｌ２０Ｃｒ２Ｌａ 相 弥散分布于 ２１２４ 铝合金中，具有显著提高铝合金再结 晶温度的作用。 综上所述，添加稀土 Ｌａ 元素到铝合金 中具有良好的效果，但所研究的铝合金很少涉及 ２０２４ 铝合金。 因此，本文在 ２０２４ 铝合金中添加微量稀土 Ｌａ，并研究 Ｌａ 含量对铸态组织的分布、形貌及性能的 影响。 １ 实验材料及方法 首先利用 Ａｌ⁃Ｌａ 中间合金、Ａｌ⁃Ｃｕ 中间合金，Ａｌ⁃Ｍｎ 中间合金，Ａ００ 以及工业纯 Ｍｇ 等并添加不同含量的 Ｌａ 配置 ２０２４ 铝合金材料，其合金成分如表 １ 所示。 熔炼在中频感应电炉中进行，配料置于石墨坩埚中，并 在其中加入 ＫＣｌ＋ＮａＣｌ 精炼，Ｃ６Ｃｌ６除气，熔炼的温度 为 ７８０ ℃；经精炼后，于 ７３０ ℃下将配置好的合金溶液 浇入预热过的铁模中，制备出圆柱形合金铸锭。 采用 ①收稿日期 ２０１４－０４－２１ 作者简介 刘 峤（１９８８－），男，湖南郴州人，硕士，主要研究方向为铝合金热处理工艺。 通讯作者 肖来荣（１９６８－），男，湖南邵阳人，博士，教授，主要从事涂层研究。 第 ３４ 卷第 ５ 期 ２０１４ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３４ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ ＰＯＬＹＶＡＲＭＥＴ⁃ＭＶＣ⁃１１⁃３Ｍ 金相显微镜对合金铸态组 织进行观察和分析，利用 Ｘ 射线衍射仪、Ｓｉｒｉｏｎ⁃２００ 型 场发射扫描电镜对熔炼好的合金铸态组织进行观察和 分析。 表 １ 实验合金化学成分（质量分数） ／ ％ 序号ＣｕＭｇＭｎＴｉＦｅＳｉＬａＡｌ １４．５４１．４５０．５９０．０３３０．２５０．１９０余量 ２４．５４１．４５０．５９０．０３３０．２５０．１９０．１余量 ３４．５４１．４５０．５９０．０３３０．２５０．１９０．２余量 ４４．５４１．４５０．５９０．０３３０．２５０．１９０．３余量 ２ 实验结果与讨论 ２．１ Ｌａ 对 ２０２４ 铝合金铸态组织的影响 图 １ 和图 ２ 是加入不同含量 Ｌａ 后合金铸态组织 的金相与扫描照片。 由图 １ 可见，未添加 Ｌａ 时，合金 晶粒尺寸约为 １６０ μｍ；添加微量 Ｌａ 后合金的晶粒尺 寸显著减小。 而当 Ｌａ 含量为 ０．２％时，合金铸态晶粒 尺寸达到约 ８０ μｍ。 继续提高稀土 Ｌａ 添加量，合金出 现明显的晶粒长大现象。 从图 ２ 可以看出，未添加 Ｌａ 的合金中的第二相比较粗大，并主要以长条状的 Ａｌ２Ｃｕ 和 Ａｌ２ＣｕＭｇ 相分布在晶界上（如图 ２（ａ）），而加 入 Ｌａ 后，第二相形貌及分布发生变化，除仍然有长条 状的 Ａｌ２Ｃｕ 和 Ａｌ２ＣｕＭｇ 相分布之外，晶界上还生成了 新的析出物。 能谱分析表明（如图 ３），这些析出相是 合金凝固后在晶界处形成的含 Ｌａ 的复杂稀土化合物， 该复杂化合物由 Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｓｉ 等元素组成。 添加 Ｌａ 含量超过 ０．２％时，原来沿晶界网状分布的第二相开始 溶解并变得越来越不连续，晶粒有长大、粗化的趋势， 而晶内的第二相粒子也开始增多并粗化。 图 １ Ｌａ 对合金铸态金相组织的影响 （ａ） 未添加； （ｂ） ０．１％Ｌａ； （ｃ） ０．２％Ｌａ； （ｄ） ０．３％Ｌａ 图 ２ 铸态合金的 ＳＥＭ 图片 （ａ） 未添加； （ｂ） ０．１％Ｌａ； （ｃ） ０．２％Ｌａ； （ｄ） ０．３％Ｌａ 图 ３ 含 Ｌａ 铸态合金能谱分析 ２．２ Ｌａ 在 ２０２４ 铸态铝合金中的存在形式及其分布 铸态试样 Ｘ 射线衍射分析结果见图 ４。 由图可 见，没有添加 Ｌａ 的合金主要由 Ａｌ２Ｃｕ 相、α（Ａｌ） 和 Ａｌ２ＣｕＭｇ 相组成，而含 ０．３％Ｌａ 的合金中除存在 α（Ａｌ） 相、Ａｌ２Ｃｕ 和 Ａｌ２ＣｕＭｇ 相外还存在着某种含 Ｌａ 的复杂 化合物强峰（箭头所指部分），结合图 ３，稀土 Ｌａ 的添 加应该生成了新的第二相。 分析线扫描结果及实验结 果认为，Ｌａ 元素形成由 Ａｌ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｉ 等元素所组成的 复杂化合物分布于晶界上。 图 ４ 含 Ｌａ 合金铸态组织线扫描图片及 Ｘ 射线衍射图 ３ 稀土元素变质铝合金机理探讨 目前，对于稀土元素变质铝合金机理的研究存在 着两种主流观点一种观点认为稀土元素的变质机理 与盐类变质剂一样，稀土元素与铝合金形成弥散的第 ５３１第 ５ 期刘 峤等 稀土 Ｌａ 对 ２０２４ 铝合金铸态组织的影响 二相在晶内分布，起着异质形核作用，增加了合金的形 核率，从而达到细化晶粒的效果。 另一种观点认为，由 于稀土元素在铝合金中的溶解度比较低，稀土元素凝 固时会造成极大的溶质富集在固液界面前沿，从而导 致枝晶缩小、熔断、游离，进而使晶粒得到细化。 从以 上实验结果可知，添加微量稀土 Ｌａ 元素到 ２０２４ 铝合 金中，Ｌａ 元素主要以一种复杂的第二相形式分布在晶 界上，而进入晶内的含量相对较少。 这应该是由于 Ｌａ 与基体 Ａｌ 的原子尺寸相差较大，根据 Ｈｕｍｅ⁃Ｒｏｔｈｅｒｙ 规则［１２］，要使 Ｌａ 进入晶格内，而 Ｌａ 在铝合金中的固 溶度又非常小，必将引起较大的晶格畸变，引起系统内 的势能增加，自由能升高，进入晶格内变得困难。 而晶 界的原子排列相对松散，为了降低系统内的吉布斯自 由能，含 Ｌａ 的稀土化合物在晶界上聚集，沿枝晶分布。 稀土化合物在晶界处富集可降低晶粒的长大速度，而 在晶内形成的一些微小稀土化合物，成为异质形核的 核心，增加了形核率。 同时，稀土 Ｌａ 的分配系数远小 于 １，而凝固合金中 Ｃｕ 的平衡分配系数由于 Ｌａ 的添 加而减小［１２］，因此，稀土元素大部分附集在界面前沿的 液相中，阻碍 Ｃｕ 原子穿过界面层，由于铜原子的分配系 数减少，促使界面前沿液相中铜的溶度梯度增加，增加 了合金的成分过冷和不稳定扰动，促使界面成长形状从 平直界面向胞状发展，平面⁃胞晶⁃枝晶凝固方式提前，最 终二次枝晶间距缩小［１３］，而随着合金的成分过冷增加， 使得交接处枝晶缩小、熔断、游离，并出现第二相球化的 现象。 综上所述，由于 Ｌａ 的添加增加了 ２０２４ 铝合金的 形核率与成分过冷度，合金组织得到细化。 但当 ２０２４ 铝合金中添加的 Ｌａ 含量超过 ０．２％时， 合金晶粒出现粗化与长大现象，这应该是 ２０２４ 铝合金 中的晶粒细化剂 Ｔｉ 与过量 Ｌａ 元素发生了相互作用。 过量的稀土会生成大量的稀土初生相，更多的 Ｔｉ 与其 发生作用，从而降低了 Ｔｉ 作为形核核心的有效溶度， 减少了合金中异质形核核心的数量，因而添加的稀土 Ｌａ 超过 ０．２％时，晶粒细化作用不明显。 此外，添加过 量稀土 Ｌａ 时，也会减弱稀土成分的过冷作用，当凝固 速度较慢时，稀土生成的初生相会有足够的时间长大， 这也将在一定程度上粗化合金组织。 ４ 结 论 １） 添加适量 Ｌａ（０．２％）具有细化 ２０２４ 铝合金铸 态晶粒的作用，但 Ｌａ 的添加量过高时（＞０．２％）会使合 金铸态组织粗化。 ２） Ｌａ 在 ２０２４ 铝合金中主要分布于晶界位置，并 与 Ａｌ 和 Ｃｕ、Ｍｇ 等元素形成新相。 ３） 在 ２０２４ 铝合金中，Ｌａ 的添加促使原来合金中 的第二相球化。 参考文献 ［１］ 窦 进， 李保成， 王瑞栋， 等． 热处理对 ２０２４ 铝合金组织与性能 的影响［Ｊ］． 热加工工艺， 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