高性能Al-5Mg-2Si-xCe合金的制备及其力学性能研究*

李省委，林宗德

(闽南理工学院 工业机器人测控与模具快速制造福建省高校重点实验室，福建 石狮 362700)

0 引言

铝元素在自然界广泛分布，凭借其良好的延展性、导电性、导热性及耐氧化性等优点被广泛应用于各个工业工程中。但由于其力学性能和耐腐蚀性能较差，使得铝的应用大大受到限制，通过研究发现，在铝基质中添加一些合金化元素，可以明显改善铝的各项性能参数，因而铝合金开始进入人们的视野[1-5]。近几年来，铝合金凭借其良好的性能已广泛应用于航天航空、计算机电子产品、汽车制造等行业，与此同时，对于铝合金的综合性能也提出了更高的要求[6-8]。目前，铝合金性能的改善主要是通过改变合金的组成成分或改变合金的热处理温度这两点，其中，稀土元素由于在合金中的固溶度较小、易发生成分过冷等优点被首要考虑为掺杂元素[9-14]。在铝合金中添加稀土元素可以与合金生成金属间化合物，这些金属化合物一般都有较高的熔点，且较为稳定地存在于合金的晶界处，不仅可以实现细化合金的晶粒，还可以改善合金的高温性能，增强合金的流动性和抗蠕变性能。近年来，对于稀土元素掺杂铝合金的研究越来越多[15-17]。陈康华等[18]将稀土元素Gd引入7056铝合金，研究了Ga对7056铝合金微观组织与腐蚀性能的影响，结果表明，添加一定量的Gd可以在基体中形成弥散相，该弥散相可以有效阻碍位错与晶界运动，提高合金的力学性能，使基体中存有更多的细小亚晶组织，还可以获得更高的应力腐蚀抗力。张树玲等[19]将稀土Y掺入再生铝合金ADC12，并对其组织形貌和力学性能进行了分析，结果表明，随着稀土Y的加入，合金凝固组织中析出的β-Fe相在枝晶间偏析聚集方面得到了改善，枝晶的尺寸得到了细化，合金的抗拉强度随着稀土Y加入量的增加呈现出先增大后减小的趋势。因此，本文选择Al-5Mg-2Si系合金为基体合金，通过改变Ce的掺杂比例，制备出不同Ce掺量的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金，并对合金的组织性能、断口形貌及力学性能进行了分析，力图探讨稀土Ce对合金的强化机理，为提高Al-5Mg-2Si系合金的力学性能、扩大其应用范围提供理论和实验依据。

1 实验

1.1 样品的制备

选择Al-5Mg-2Si系合金作为基体合金，在其中加入0，0.2%，0.4%和0.6%(质量分数)的稀土Ce元素，其中Ce元素是以中间相的形式加入到合金中，表1为经过ICP测试的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的化学成分。制备方法如下：选择工业纯铝(99.99%)和工业纯镁(99.99%)作为熔炼合金的原材料，其它元素均以中间合金的形式加入，分别为Al-40Si合金(99.99%)、Al-40Ce合金(99.99%)和Al-Mg合金(99.99%)。在计算原材料质量时，Al的熔损记为5%，Mg和熔损记为10%，中间合金均不记熔损。按照计量比称取纯镁和纯铝，熔化之前将纯镁锭和纯铝锭清洗干净，将纯铝锭置入坩埚内，采用梯度升温，控制温度在720 ℃左右，保温1 h；在铝锭完全熔化后，梯度升温至750 ℃，按照配比将纯镁锭、Al-40Si合金、Al-40Ce合金、Al-Mg合金加入铝液中，搅拌均匀后保温2 h，确保加入的中间合金全部熔化。采用金属重力浇注工艺，将其浇注到预热温度为390 ℃的模具中，模具冷却后，即得合金铸锭样品。

表1 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的化学成分

1.2 样品测试及表征

对制备的Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金试样按照要求进行机械加工，然后进行测试及表征。拉伸性能测试：在室温下采用CMT5105电子万能试验机进行拉伸性能测试，试样的拉伸速度为1 mm/min；X射线衍射测试(XRD)：采用日本岛津公司XRD-6100X射线粉末衍射仪，波长0.154051 nm，Cu靶Kα射线源，扫描范围为0～80°，扫描速率为4 °/min；扫描电镜(SEM)：采用日本日立公司SU1510型扫描电镜、美国EDAX GENENIS 4000 X射线能谱仪对样品的结构和组成进行分析。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的XRD图谱。从图1可以看出，4种合金都结晶良好，未添加Ce元素的合金相组成主要有α-Al、Si、Mg2Si相；加入Ce元素后，Ce主要以AlCe3和Al-Ce金属间化合物的形式存在，并没有与Mg形成MgCe化合物，且掺杂Ce元素后出现了Al8CeFe4三元含铁相的化合物。说明Ce具有促进β-Fe相转化成α-Fe相Al8CeFe4的作用，从而提升合金的综合性能。

图1 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的XRD图谱

2.2 SEM和EDS分析

图2为Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的SEM图。从图2(a)可以看出，不掺杂Ce元素的Al-5Mg-2Si合金的枝晶排列紊乱且尺寸较为粗大，初生相α-Al大小不一，并且偏聚现象较为严重。从图2(b)-(d)可以看出，掺入稀土Ce元素后，枝晶的排列得到了明显改善，并且随着Ce掺量的增加，晶粒逐渐细化，分布更为均匀，α-Al的尺寸也逐渐缩小。这是由于稀土Ce元素的固溶度较低，引入的Ce元素与Al、Mg形成了稳定的Al-Mg-Ce三元相结构，会拟制晶粒的长大，从而达到了细化晶粒的效果。对比图2(d)与图2(b)、(c)可以发现，当Ce掺量为6%(质量分数)时，α-Al相有长大的趋势，形状也变得细长，这是因为随着Ce掺量的逐渐增大，当达到饱和状态后，部分Ce由于过剩而存留在合金基体内，过剩的Ce与主要组成元素Al和Mg生成中间相，从而消耗了主要相，对基体产生了弱化作用[20]。此外，过量的Ce掺杂有让枝晶长大的趋势，将导致合金的抗拉强度和延伸率降低。

图2 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的SEM图

图3为Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的放大SEM图，表2为图3中对应点(a、b和c )的EDS成分含量。从图3和表2可以看出，Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的主要相为α-Al相，含量占到了94%～99%(质量分数)，且Ce元素与Al形成的Al-Ce相均匀分布在基体中，没有出现偏聚现象。

图3 Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的放大SEM图

表2 图3中对应点(a、b和c )的EDS成分含量

2.3 力学性能分析

采用CMT5105电子万能试验机进行拉伸实验。拉伸试样通过线切割加工后再用砂纸研磨。室温拉伸试样为板状，尺寸如图4所示，在室温下拉伸速率为1 mm/min，对每种材料拉伸3次重复实验。

图4 拉伸试样尺寸

图5为Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉强度和延伸率曲线。将Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉强度、原始标距、断后标距和延伸率进行测量计算后汇总，结果如表3所示。由图5和表3可以发现，

表3 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的拉伸性能

图5 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉强度和延伸率变化曲线

Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金的抗拉强度和延伸率随着Ce掺量增加呈现先增大后降低的趋势。当Ce掺量为0时，合金的抗拉强度和延伸率分别为105.70 MPa和0.76%；当Ce掺量为0.4%(质量分数)时，合金的抗拉强度和延伸率达到最大值，分别为133.70 MPa和1.64%，相比Ce掺量为0时，分别增长了26.49%和115.79%；当Ce掺量为0.6%(质量分数)时，合金的抗拉强度和延伸率出现下降的趋势，分别为130.20 MPa和1.20%，相比Ce掺量为0.4%(质量分数)时，分别下降了2.62%和26.83%。可知适量的稀土Ce掺杂可以提高合金的抗拉强度和延伸率，当Ce掺量过多时，合金的抗拉强度和延伸率均有所下降。

2.4 断口形貌分析

图6为Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金拉伸断口的SEM图。从图6(a)可以看出，当Ce掺量为0时，合金断裂面基本没有完整的晶粒存在，其断裂方式主要为解离断裂。从图6(b)-(d)可以看出，当合金中掺入稀土Ce之后，合金的晶粒尺寸得到了优化，晶粒均较为完整未被拉裂，且均出现了一定量的空洞，其断裂方式主要为延晶断裂。这是因为未掺杂稀土Ce的合金晶粒尺寸较大，而大尺寸晶粒在参与拉伸过程中更易被撕裂，导致合金性能下降；当合金中掺入稀土Ce后，晶粒得到了细化，晶粒尺寸有一定的缩小，晶粒的整体数量有一定的提升，因而使合金的整体力学性能有一定的提高；当稀土Ce的掺量过剩时，会与Al、Mg等生成中间相，这些中间相会附着在晶界上，并对晶面产生分裂作用，从而导致合金的力学性能下降。从图6可以看出，当Ce掺量为0.4%(质量分数)时，合金的晶力学性能最优。

图6 Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金拉伸断口的SEM图

3 结论

(1)XRD分析表明，Al-5Mg-2Si-xCe(x=0，0.2，0.4和0.6)合金主要由α相组合而成，掺杂Ce元素后出现了Al8CeFe4三元含铁相的化合物，说明Ce具有促进β-Fe相转化成α-Fe相Al8CeFe4的作用，从而提升了合金的综合性能。

(2)SEM分析发现，不掺杂Ce元素的Al-5Mg-2Si合金的枝晶排列紊乱且尺寸较为粗大，初生相α-Al大小不一，并且偏聚现象较为严重；掺入稀土Ce元素后，枝晶的排列得到了明显改善，并且随着Ce掺量的增加，晶粒逐渐细化，分布更为均匀，α-Al的尺寸也逐渐缩小。

(3)EDS分析可知，Al-5Mg-2Si-0.4Ce合金的主要相为α-Al相，Ce元素与Al形成的Al-Ce相均匀分布在基体中，没有出现偏聚现象。

(4)力学性能和断口形貌分析发现，适量的稀土Ce掺杂可以提高合金的抗拉强度和延伸率，当Ce掺量为0.4%(质量分数)时，合金的抗拉强度和延伸率均达到最佳，继续增加Ce掺量时，合金的抗拉强度和延伸率均有所下降；未掺杂Ce的合金主要为解离断裂，掺入Ce后，合金的断裂方式主要为延晶断裂，且断口处晶粒均较为完整未被拉裂。