稀土元素La对2024铝合金铸态组织及性能的影响

温 杨，于长富，孙 巍，谢方亮，杨 路，徐 强

(营口忠旺铝业有限公司，辽宁 营口 111003)

2024铝合金为可热处理强化的高强、高韧Al-Cu-Mg系合金，且具有高比强度与比刚度、优异成型性能、耐腐蚀性能好等优点，在军工、航空航天等诸多领域得到广泛的应用[1-3]。

大量研究表明，合金中添加微量稀土元素可以有效地强化合金、净化熔体，稀土元素在一定成分范围内，能够起到细化晶粒、提高合金机械性能和工艺性能的作用[4]。古文全等[5]通过在Al-10Mg合金铸锭中添加适量La，发现La可显著细化晶粒，并形成颗粒状及短杆状Al-La化合物，能够提高合金的力学性能。周年润等[6]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。本试验在2024铝合金中添加微量稀土元素La，研究不同含量La对2024合金铸态组织及力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

2024铝合金制备原材料为纯铝锭、高纯镁锭(>99.96%)、Al-60%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Cr中间合金、Al-5Ti-B丝及Al-10%La中间合金。在2024铝合金中分别添加0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%含量的稀土元素La，实测成分见表1。

表1 2024合金化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

将纯铝锭进行熔炼，熔炼温度为750 ℃，待铝锭熔化后依次投入中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-La和高纯镁锭。中间合金充分搅拌后取样进行成分检测，成分合格后进行精炼、扒渣，静止20 min后铸造成φ198 mm×2000 mm圆铸锭，铸造工艺参数见表2。

表2 铸造工艺参数

2 试验结果与分析

2.1 金相组织

图1、图2为2024铝合金中添加不同含量稀土元素La的金相组织对比图。由图1可知，合金晶粒随稀土La含量的增加，晶粒尺寸呈先逐渐减小后增大的趋势，稀土La含量为0.3%时，晶粒相对细小且分布均匀。未添加La时，合金晶粒粗大且不均匀，晶粒尺寸约为120 μm；当稀土La添加量为0.1%时，晶粒无明显细化，晶粒大小相对均匀；继续增加La含量为0.2%，合金晶粒尺寸略有减小约为110 μm；当稀土La含量为0.3%时，合金晶粒尺寸明显减小，晶粒细化效果显著，晶粒尺寸约为80 μm；继续提高La成分至0.4%，合金出现晶粒长大现象。

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%图1 不同La含量的2024铝合金晶粒度Fig.1 Grain size of 2024 aluminum alloy with different La content

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%图2 不同La含量的2024铝合金铸态显微组织Fig.2 As-cast microstructure of 2024 aluminum alloy with different La content

由于稀土元素La在2024合金中的溶解度较低，凝固时会造成溶质富集在固液界面前沿，从而导致枝晶缩短、熔断或游离等现象，使晶粒得到细化。La原子半径为0.1877 nm，与基体Al的尺寸相差较大，La在铝合金中的固溶度又非常小，进入晶格会引起较大的晶格畸变，会增加势能和自由能[7]。为了降低自由能，含有La的化合物会在晶界上聚集，并沿着枝晶分布。当少量稀土在晶界上分布时，会降低晶粒的长大速度，并在晶内形成微小的稀土化合物，成为异质形核的核心，从而提高形核率[4]。

当2024合金中稀土La含量为0.4%时，合金晶粒会变得粗大，有长大趋势。这是因为过量的La会形成大量的稀土初生相，这些初生相会与Ti发生作用，从而降低Ti在合金中形核的有效溶度，减少合金中其他异形形核核心的数量。同时，过量的稀土也会降低稀土成分的过冷度，凝固过慢会导致稀土初生相长大，从而晶粒粗化。

2.2 SEM形貌

图3为不同稀土元素La含量的2024铝合金铸态SEM形貌图。没有添加稀土元素La，合金中的第二相较粗大，主要以条状的S(Al2MgCu)相、Al2Cu相，由于Cu：Mg<2.6，形成的主要强化相为S(Al2MgCu)相[5]。加入稀土元素La后，第二相的形貌和分布发生明显变化，晶界处除了条状的S相和Al2Cu相外，还形成含有La元素的复杂稀土化合物。对5组试样的晶界及晶内局部位置进行衍射分析，含稀土元素La的化合物衍射点位为图3(b)-1、图3(c)-1、图3(d)-1、图3(e)-1，其余点位均未含La元素，含La化合物的元素组成见表3。稀土相化合物由La、Mg、Cu、Mn、Al等元素组成，在一定程度上抑制了晶粒的长大。由于La元素在铝合金中溶解度很低，随着La元素含量的增加，晶界处含La的复杂化合物逐渐增多。同时，延晶界分布的第二相逐渐发生溶解、断裂，变得不连续，晶粒也有粗化趋势。

(a) 0%；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%图3 不同La含量的铸态2024铝合金SEM形貌Fig.3 SEM morphology of as-cast 2024 aluminum alloy with different La content

表3 图4中各点含稀土相化合物元素组成

2.3 力学性能

图4为不同La含量的铸态2024铝合金力学性能。由图4可知，随着稀土元素La含量的增加，屈服强度和抗拉强度呈先升高后降低的变化趋势，当La含量为0.2%时，屈服强度最高，达到159 MPa；当La含量为0.3%时，抗拉强度最高，达到174 MPa。而随着稀土元素La含量的增加，延伸率呈现出逐渐增大的趋势，当La含量为0.4%时，延伸率达到最大，约为1.7%。表明微量稀土元素的添加，生成的高熔点、高模量的第二相提高了熔体质量，使缺陷减小。但是过量的La会使晶粒粗化，导致其力学性能下降。

(a) 强度；(b) 伸长率图4 不同La含量的铸态2024铝合金力学性能(a) intensity; (b) elongation rateFig.4 Mechanical properties of as-cast 2024 aluminum alloy with different La content

3 结论

1)稀土元素La含量从0.1%增至0.4%，合金晶粒均有不同程度的细化，La含量为0.3%时，晶粒细化效果最为显著，但La含量为0.4%时，合金晶粒组织略有粗化；

2)稀土元素La在铸态2024铝合金中主要分布在晶界处，其成分组成为La、Mg、Cu、Al；

3)稀土元素La含量为0.2%时，铸态2024铝合金的力学性能最佳；稀土元素La含量为0.4%时，延伸率提高最为明显。