Gd对Al-Mg合金微观组织和力学性能的影响

安勇良， 尹冬松， 谭志强

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022)

Gd对Al-Mg合金微观组织和力学性能的影响

安勇良， 尹冬松， 谭志强

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022)

为提高Al-Mg合金的力学性能，采用电阻炉熔炼制备Gd质量分数不同的Al-Mg-Gd合金，利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和硬度计等研究Gd质量分数对Al-Mg合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：质量分数为0.1%、0.3%、0.5%的Gd能够细化铸态Al-Mg合金的晶粒，并形成颗粒状或短杆状的Al-Gd化合物，提高了合金抗拉强度和硬度。当Gd质量分数在0.3%时，抗拉强度227 MPa和硬度83.0 MPa为最高。当Gd质量分数达到0.5%后，由于Al-Gd化合物形态转变为沿晶界连续分布的粗大网络状，Gd对Al-Mg合金的强化效果减弱，使合金抗拉强度和硬度分别下降至183和79.9 MPa。

Al-Mg； Gd； 微观组织； 力学性能

稀土在铝合金中应用很广，常见的有La、Gd、Ce等，其对铝合金组织和力学性能具有非常重要的作用，如稀土具有净化作用，能够减少铝熔体中的氢含量、夹渣和有害气体、杂质；稀土还具有变质作用，能够有效细化晶粒和枝晶，这是因为稀土元素可有效阻止晶粒的生长，提高形核效率。近年，徐佐等[1]发现在Mg质量分数为0.35%的A356.2铝合金中，仅需要0.05%稀土元素就可以达到较好的细化变质效果。而且Mg与稀土的混合添加可以改善Fe相形貌，减少针状Fe相对性能的不利影响。笔者[2]研究发现，当Gd质量分数在0.3%，Al-Cu-Gd合金显微组织得到细化，同时合金的硬度和抗拉强度以及伸长率提高；李厅等[3]以混合稀土元素La和Ce作为变质剂，探讨稀土变质对合金铸件微观组织和宏观机械性能的影响规律，发现0.3%变质剂使铝合金ADC12合金的微观组织得到细化且显微硬度提高，抵抗塑性变形能力强，抗拉强度大。高士学等[4]发现稀土La对 α-Al 相的细化和 Si 相的变质都起到明显作用。稀土元素还可以在铝合金表面形成稀土转化膜提高铝合金的耐蚀能力。Feng Y等[5]发现向铝合金Al-Mg-Sn-Hg中添加0.05%Ce，铝合金的耐蚀性能达到最佳。同时，刘政等[6]发现电磁搅拌也对稀土在铝合金中的均匀分布起了很大作用。因此，笔者采用稀土中间合金Mg-30%Gd的形式，通过熔铸法来制备Al-Mg-Gd合金，分析稀土Gd对Al-Mg合金微观组织以及力学性能的影响，为稀土元素应用于Al-Mg合金提供实验依据。

1 实验材料与方法

采用SG-5-12坩埚电阻炉熔炼。将切好的铝块放入石墨坩埚中，并放入熔炼炉中加热至750 ℃，直至充分熔化，再将已切好的Mg块用金属罩压入金属液。待Mg块在金属液中充分熔化后，加入不同质量的Mg-30%Gd合金，750 ℃保温15 min使其在金属液中充分熔化、扩散，并加入六氯乙烷精炼除去金属液中的气体。熔炼结束后扒渣将金属液浇入普通砂型中，自然冷却直至取出所得铸件。各试样经200#、400#、1000#、2000#水砂纸打磨并抛光，采用体积分数为0.5%的HF水溶液作为腐蚀剂制备金相试样，拉伸实验试样不进行腐蚀并采用了ASTM E-8标准进行制样。各试样按合金成分(质量分数)分别记作Al-10Mg、Al-10Mg-0.1Gd、Al-10Mg-0.3Gd 、Al-10Mg-0.5Gd。样品的显微组织采用Zeiss Axio Lab.A1蔡司金相显微镜和MX2600FE型扫描电子显微镜观察，在HB-3000B布氏硬度计和CMT5305万能拉伸机上进行力学性能测试。

2 结果与分析

2.1显微组织

2.1.1 金相显微组织

图1为Gd质量分数不同的Al-Mg合金放大200倍观察到的显微组织形貌。

a Al-10Mg

b Al-10Mg-0.1Gd

c Al-10Mg-0.3Gd

d Al-10Mg-0.5Gd

由图1可知，图1a为未添加稀土Gd的Al-Mg合金显微组织，可知铝镁合金的晶粒较清晰且粗大。由图1b和1c可知，加入稀土Gd后，铸造铝镁合金的晶粒尺寸和形状都发生了明显变化，枝晶得到明显细化，晶界处析出相增多，晶粒细化效果也越来越明显。图1d为添加了0.5%Gd的Al-Mg合金显微组织，与图1c相比，其晶粒没有进一步细化，尺寸反而更加粗大。可见当稀土Gd的质量分数达到0.5%时，Gd对Al-Mg合金的晶粒细化作用减弱。

2.1.2 扫描电镜显微组织

为研究试样中不同相的成分，对质量分数为0.1%Gd 的Al-Mg-Gd合金进行组织成分分析,合金析出相(十字星位置)和基体(矩形框区域)的SEM 图像如图2所示，其具体成分见表1。在Al-Mg合金中加入0.1%的稀土Gd后在晶粒内弥散析出球形或类球形的第二相粒子，主要成分为Al-Gd化合物。

图2 Al-10Mg-0.1Gd合金微观组织SEM能谱成分点

Fig.2MicrostructureandSEMpointanalysisofAl-10Mg-0.1Gdalloys

由表1中合金基体成分可知，晶内成分为Al和Mg，而没检测到Gd元素，说明基体相主要是Al，其中含有少量的Mg。Al-10Mg-0.1Gd合金中的Gd全部以第二相的形式析出并集聚在晶界处，该相聚集在晶界处能有效的阻碍晶界运动，起到强化晶粒的作用。

表1 Al-10Mg-0.1Gd合金成分

2.2力学性能

2.2.1 抗拉强度

利用CMT5305万能拉伸机测试各试样的抗拉强度。当稀土Gd的质量分数为0.1%时，合金的抗拉强度由172 MPa增加到195 MPa，当其质量分数增加至0.3%时，合金的抗拉强度进一步增大到227 MPa，此时合金的抗拉强度为最大值，表现出良好的力学性能。当稀土Gd的加入量进一步提高到0.5%时，其抗拉强度急剧下降至183 MPa。

添加稀土Gd能够不同程度的改善铝镁合金的力学性能，这与Gd对合金的显微组织的影响有关。分析可知，稀土Gd在铝镁合金中主要形成Al-Gd化合物分布于晶界处，在凝固过程中，这些溶质原子富集于固液界面，就会增大相界面的成分过冷度，以此达到促进基体均匀形核，细化晶粒的目的。另一方面，在铝镁合金中加入适量Gd，形成以颗粒状和短杆状形态分布于晶界处的Al-Gd化合物，起到阻碍位错运动，钉扎晶界的作用，从而使Al-Mg合金的抗拉强度增大，表现出良好的力学性能。

2.2.2 硬度

在铝镁合金中加入稀土Gd对合金的硬度也产生了较为明显的影响。表2中显示了每组试样表面三个位置的硬度和平均硬度。

表2Gd质量分数不同的Al-Mg合金硬度

Table 2 Hardness of Al-Mg alloys with differentGd contents MPa

由表2可知，当Gd质量分数为0.1%时，铝镁合金的硬度有所提高，继续增加Gd到0.3%，其硬度上升至最大83 MPa。这说明随着稀土Gd增多，合金组织得到细化，单位面积内的晶界增多，位错增多同时晶界处析出连续相增多，从而使铝镁合金硬度增强。在Gd质量分数为0.3%～0.5%，随Gd质量分数增大，铝镁合金的硬度明显的下降。这表明当Gd质量分数超过0.3%后，基体中残留了较多的Al-Gd化合物，而Al-Gd化合物熔点高、脆性大，且尺寸较大，它们在晶界区域密集分布，会对晶界强度造成不利影响，削弱Gd对合金的强化效果。

3 结 论

(1)稀土Gd在Al-Mg合金中主要以Al-Gd化合物的形式分布于枝晶间，并可以细化Al-10Mg合金晶粒。当Gd质量分数达到0.5%时，短杆状转变为粗大的连续的网状形态。

(2)不同质量分数稀土Gd添加可以提高Al-Mg合金力学性能。当Gd质量分数从0.1%增加至0.3%时，Al-10Mg合金的抗拉强度和硬度最大，当Gd质量分数达到0.5%时，Al-Mg合金的晶粒粗化，抗拉强度和硬度有所下降。

[1] 徐 佐， 吴大勇， 李振宇， 等. Mg与稀土Ce混合添加对A356.2铝合金组织与性能的影响[J]. 铸造， 2016, 65(9): 855-859.

[2] 安勇良, 尹冬松, 黄永杰. Gd对Al-Cu-Gd合金微观组织与力学性能的影响[J]. 黑龙江科技大学学报， 2016, 26(4): 402-404.

[3] 李 厅， 余 忠， 章 凯， 等. 混合稀土镧铈对再生铝合金 ADC12 的影响[J]. 有色金属工程， 2017, 7(2): 26-29.

[4] 高士学, 孙跃军， 高艳静. 稀土 La 对 A356 铝合金组织及硬度的影响[J]. 热加工工艺， 2016, 45(5): 81-83.

[5] Feng Y, Li X, Wang R, et al. Influence of cerium on microstructures and electrochemical properties of Al-MgSn-Hg anode materials for seawater battery[J]. J Rare Earths, 2015, 33(9): 1010-1015.

[6] 刘 政, 罗浩林, 白光珠. 电磁搅拌频率对半固态A356铝合金初生α相和铈分布的影响[J]. 中国稀土学报， 2015, 33(3): 328-335.

(编校王 冬)

EffectofGdonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-Mgalloy

AnYongliang,YinDongsong,TanZhiqiang

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at improving the mechanical properties of Al-Mg alloy castings. The research involves preparing Al-Mg alloy containing different Gd contents by a resistance furnace; and investigating the effect of rare earth elements Gd content of the Al-Mg alloy on the microstructure and mechanical properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, a universal tensile tester, hardness testing instruments. The results show that Gd with the mass fraction ranging from 0.1% to 0.3% and 0.5% can refine the grain of Al-Mg alloy and form the Al-Gd compound in granular or short rod shape, thus contributing to an improved tensile strength and hardness of the alloy; Gd with the mass fraction of 0.3% provides the highest strength and hardness; Gd with the mass fraction of 0.5% gives a decreased strengthening effect on Al-Mg alloy due to the change of Al-Gd compound form into a coarse network with continuous distribution along the grain boundary, resulting in the tensile strength and hardness of the alloy going down to 183 MPa and 79.9 MPa, respectively.

Al-Mg; Gd; microstructure; mechanical property

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.019

TG146.21

2095-7262(2017)06-0670-04

A

2017-06-12

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GC13A104)

安勇良(1982-)，男，吉林省吉林人，讲师，博士研究生，研究方向：轻合金材料的制备、设计、计算及纳米功能化，E-mail: ylanhust@163.com。