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东北大学硕士学位论文 a 1 e r 系合金的制备与性能研究 摘要 微合金化是提高铝合金综合性能的有效途径，稀土元素以其独特的性质引起 了材料学界的广泛关注，初步研究发现稀土元素e f 在铝合金中具有积极作用，为 进一步研究稀土元素e r 在铝合金中的作用及其机理，本文采用连续铸挤技术制各 了不同h 台量的a 1 e r 及a i m g - e r 合金。通过硬度测试、力学性能测试、会相量 微组织观察、扫描电镜观察、透射电镜观察及能谱分析等手段研究了稀士元素研 对a l 合金在不同状惫下的显微组织、力学性能、热稳定性能的影响，深入分析了 e r 在合金中的存在形式、对合金显微组织的细化机理、对合金力学性能的强化机 理以及e r 对a i m g 合金再结晶过程的影响。结果表明：连续铸挤技术适合禽e r 铝合盒线材的生产，通过控制铸挤工艺参数，可以获得质量良好的合会线材：稀 土元素e r 可以明显地细化a l 及a i m g 合金组织，提高合金的力学性能，! 波 含量达到o 5 对，细化强化效果达到最佳；理论分析及实验发现稀土元素融存 a i - m g 合金中不能与m g 形成二元及三元化合物，仅以a i a e r 的形式存在；台金凝 固过程中，e r 在固液的沿聚集，提高了熔体的过冷度，析出的a 1 3 e r 粒子能作为 非均质形核核心，从而对合金组织产生细化作用；a i m g e r 合金在时效过程中析 出的大量细小弥散的a 1 3 e r 粒子，与基体共格，能够钉扎位错，阻碍位错的运动， 从而提高合金的力学性能；在退火过程中，a i m g e r 合金中析出的与基体共格的 a l ，e r 粒子，阻碍了位错的运动和晶界的迁移，从而延缓了亚晶的形核和长大，抑 制合金的再结晶过程，使a 1 2 m 9 0 5 e r 舍金的再结晶温度比a 1 2 m g 合金的提高约 5 0 。 关键词：e r ；连续铸挤；组织性能； a i - m g 合余； a 1 3 e r ；弭结晶 i l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d y o np r e p a r a t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f a l - e r a l l o y s a b s t r a c t a d d i n gn f i n o re l e m e n t si sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ec o m b i n a t i v ep l o p e r t i e s o fa l u m i n u ma l l o y s t h ee f f e c to fr a r ee a r t he l e m e n t sh a sb e e na t t r a c t e de x t e n s i v c a t t e n t i o nd u et ot h e i ru n i q u ep e r f o r m a n c eo na l u m i n u ma l l o y s t h ep r e s e n tw o r k i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fe a r t he l e m e n te r b i u mo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 1 一e r a n da 1 一m g e ra l l o yp r e p a r e db yc o n t i n u o u sc a s t i n ge x t r u d i n gt e c h n i q u e ( c a s r e x ) t h ei n f l u e n c eo fe ra d d i t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh e a t r e s i s t a n c eh a sb e e ne n a b l e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( r e m ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v ex r a y s p e c t r o s c o p y ( e d x s ) a n a l y s i s t h ee x i s t e n c eo fe ri na l u m i n u ma l l o y s ，t h er e f i n i n g a n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m sa n dt h ee f f e c to fe ro nt h er e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so f a i - m ga l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i ti ss u i t a b l ef o rt h ec a s t e x t e c h n i q u et op r o d u c ea l u m i n u mw i r ec o n t a i n i n ge rw i t hg o o dq u a l i t yb yc o n t r o l l i n g c a s t e xp a r a m e t e r s e rc a ns i g n i f i c a n t l yr e f i n et h em i c r o s t r u c t u r ea n de n h a n c e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp u r ea ia n da 1 一m ga l l o y t h eo p t i m u mr e f i n i n ge f f e c ti s a c h i e v e dw h e ne rc o n t e n ti s0 5 t h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n sf m dt h a te rc a nn o t f o r mb i n a r yo rt e r n a r yc o m p o u n d sw i t hm gb u ta t 3 e ri na 1 - m ga l l o y d u r i n g s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，t h es u p e r c o o l i n gd e g r e ei n c r e a s e sb e c a u s eo ft h ea g g r e g a t i o no f e ri nt h ef r o n te d g eo fs o l i d - l i q u i dz o n ea n dt h ep r e c i t ) i t a t e da 1 3 e rp a r t i c l ec a r ta c ta st h e h e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i n gs i t e a l lo f w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e f i n et h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ea l l o y sal a r g ea m o u n to ff i n ea 1 3 e rp a r t i c l e sp r e c i p i t a t ed u r i n ga r t i f i c i a la g e i n g p r o c e s s ，w h i c ha r ec o h e r e mw i t hm a t r i x ，c a np i nu pa n di m p e d et h e m o t i o n so f d i s l o c a t i o n s ，i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y s d u r i n ga n n e a l i n gp r o c e s s ，t h e c o h e r e n ta 1 3 e rp a r t i c l e p r e c i p i t a t e si nt h ea 1 - m g - e ra l l o yo b s t r u c tt h em o t i o n so f d i s l o c a t i o n sa n dm i g r a t i o n so fg r a i nb o u n d a r y ，s ot h en u c l e a t i o na n dg r o w t ho ft h e l i l 查兰叁兰堡主兰堡笙墨一一堕! ! ! l s u b g r a i na r ed e l a y e d ，t h ep r o c e s s o fr e c r y s t a l l i z a t i o ni sr e s t r a i n e dt h er e c r y s t a l l i z a t i o a t e m p e r a t u r eo f a l 2 m 9 0 5 e ra l l o yi n c r e a s e sa b o u t5 0 t h a n t h a to f a l 2 m ga l l o y k e yw o r d s ：e r ；c o n t i n u o u s c a s t i n ge x t r u d i n g ( c a s t e x ) ；m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s ；a i - m ga l l o y ；a 1 3 e r ；r e c r y s t a l l i z a t i o n 1 v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文q j 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名卅嗽 目期：r 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东j 匕大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。2 0 世纪7 0 年代人们把信息、材料和 能源称之为当代文明的三大支柱，8 0 年代以高技术群为代表的新技术革命又把新 材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。无论是传统材料还是 不断涌现的新材料，在国民经济建设、现代科学技术发展以及人们的同常生活中 发挥着重要作用。 铝合会具有密度小、比强度和比刚度高、塑性好、易于成形、工艺简单、成 本低廉等优点，广泛应用于民用工业以及航空航天工业等领域之s o t 。“。近年来， 为了进一步提高铝合金的强度、韧性、耐应力腐蚀开裂性和耐热性等性能，材料 科学工作者进行了许多探索，随着时效强化理论和位错理论的发展，物理冶余学 家们认识到提高金属材料强度的基本途径有两条1 6 - 8 1 ：是尽量减少盒属材料中的 缺陷，如制造无位错的金属、合金晶须和单晶等；二是通过引入异类原子、冷加 工、热处理、中子辐照以及细化晶粒等来大量增加金属中的缺陷。其中，在铝合 金中添加微量稀土元素被证明是最有效的途径之一 9 0 ”。 稀土元素是一组原予半径较大、化学性质极为活泼的元素，包括元素周期表 中原子序数从5 7 到7 l 的镧系元素以及2 l 号元素镜( s c ) 和3 9 号元素钇( y ) 共1 7 个元素。由于其内层4 f 电子层处于不饱和状态，稀土元素具有很多独特的性质， 添加少量的稀土元素就能极大地影响材料的组织与性能【9 1 。其中，微量稀土元素添 加到铝合金中能显著提高铝合金的性能就是非常典型的例子。因此，近年来稀士 元素已经引起了世界科学界、技术界的广泛注意，被称为2 j 世纪的战略元素，稀 土以其独特的物理和技术特性成为了新材料的宝库 1 2 j 。 1 1 稀土铝合金的国内外研究概况 稀土在钢铁材料中的应用已经比较成熟，经济效益十分明显”，其在有色 会属材料中的作用也已经得到人们的广泛认可，虽然起步较晚，但发展很快，尤 其是在铝及锡合金中的应用研究已经取得了显著效果i i l j - 。 我国的稀士资源丰富，探明储量约占世界已探明储量的8 0 以上，而且具自 东北大学硕士学位论文第一章绪论 f ，床分布广、类型多、品种全和综合利用价值高等特点，为我国稀i 一【：业发展提 供了得天独厚的条件l q 】。几十年来，我国的科研人员在稀土基础研究和应用开发办 陋开展了许多卓有成效的工作。目前我国已基本形成了相对完整的稀土工业体系， 稀土产量跃居世界首位，并成为稀土初级产品的最大出口国。但总的柬谎，我国 还不是稀土科研和应用的强国，稀土资源优势未转变成经济优势，特别是在行目 萎知识产权和技术创新的稀新材料研究开发和应用方面还有较大的差距。至今， 我国稀土铝合金的研发工作主要是集中在几种稀土元素如l a 、c e 、y 和混合稀寸、 对铝硅系铸造合金、铝镁硅( 锌) 系变形铝合金、铝台金导线及活塞等的变质及 净化作用等方面，关于稀土元素对铝及铝台金的影响规德和作用机理的研究也取 得了一定的进展，但是对于其它的稀土元素，尤其是单一稀土元素在铝合金中的 作用及其机理，特别是在强韧化、焊接以及耐蚀性等方面则研究得较少1 1 。 俄罗斯早在2 0 世纪7 0 年代初期就发现了稀土元素s c 在铝合金中的积极作用 而对其进行了系统的研究，开发出一系列先进的含s c 铝台金，但s c 是战略性元 素，价格昂贵，因此限制了其广泛应用【l “。其它国家由于稀士资源相对匮乏，对 稀土铝合金的研究并不深入，相关文献报道也彳；多见。关予稀土元素e r 在铝及铝 合金中的作用的研究，国外文献尚未见相关报道。 1 2 稀土元素在铝及铝合金中的作用 国内外有关稀土铝合金的研究表明稀土元素在铝及铝合金中的作用主要表现 在一个方面： 1 ) 净化作用。由于稀土具有很高的化学活性，与h 、f e 、s 等杂质元素具 有很强的化学亲和力，易形成稳定的化台物，因而可以消除这些杂质元素对材料 性能的影响 1 7 - 1 9 】。 2 ) 细化作用。稀土元素能与铝形成高熔点化台物，这些化合物在铝液晕凝 固，成为结晶晶核。因而能够有效减小铝合盒的枝晶间距，细化铸态组织，提高 铝合金的性能【2 0 】。 3 ) 合金化作用。稀士元素能与a l 及其合金元素形成弥教分布的离熔点化 合物，具有很好的热稳定性和耐热性。它们与基体牢固的结合，即消除了分布在 晶界的微量杂质的危害，又起到了强化和稳定晶界的作用，还可以延缓台金，豢 2 - 东北大学硕士学位论文第一聿绪论 在高温下的扩散速度，因而能大大提高铝合金的性能，特别是高温性能1 9 , 2 1 1 。 1 2 1 稀土对纯铝性能的影响 工业纯铝因导电性好、密度小、比强度高、耐腐蚀性好，在输电线路中被广 泛使用，我国铝导体的年用曼约占铝消耗量的l ，3 到l m 。然而，令人遗憾的是我 国铝电线电缆生产长期处于低水平、高电阻( 2 9 0 2 8 2 4 6 x 1 0 4 q m ) 的：| ：j c 况。稀j 二 在铝导体中的应用研究在我国始于2 0 世纪6 0 年代中期，到2 0 世纪7 0 8 0 年代 取得了较大进展。研究表明【2 2 2 4 1 ：在导电锚中添加不同的稀土元素，链够起到脱 硫、脱氧、脱氢、细化晶粒的作用；在某些导电铝合金中加入稀土后，能提高铝 材的强度和耐磨性；在一定湿度内使用的导电铝如入礴土可提高其热强憔和抗氧 化性。 稀士对纯铝性能影响的研究主要集中在l a 、c e 以及混合稀对纯铝性能的影 响1 笛i 。l a ，c e 和混合稀土均能减小工业纯铝的晶粒度。研究表明；在l a ，c e 加 入量为o 1 后细化效果明显，当其含量大于o 5 后细化效果趋于平缓，其中c e 的效果最佳，l a 次之，混合稀土最弱。这是因为c e ，l a 等在q - a l 中的固溶度极 小( 最大o 0 3 0 0 7 ) ，因此，在旺一a i 晶核形成和长大过程中，由于溶质再分 配，稀土极易在结晶前沿的液相中富集；另一方面，出于撩t 原子半径丈于铝， 若进入i t - a 1 晶格内，势必引起极大的晶格畸变，使系统能量增加，因此为保持系 统的自由能最低，稀土原子只能向原子摊列不规则的晶界上富集。这样富集在 固，液界面前沿的稀土元素，造成了成分过冷，使得技晶生长倾向增加，枝晶缩颈 熔断机会增大，旺a l 相的动力学形核作用增强，从而细化了晶粒。 【a ，e e 祁混合稀土均糍提高工业纯铝的导电性阻”l 。文献研究表明，铝导线 室温导电性对所含杂质元素及其分布状态十分敏感。按照已有金属导电理论可知： 晶体越完整，异类原子等引起的晶格畸变、晶界等缺陷越少，其电阻越小；杂质 元素在金属中以固溶态存在时，对导体电阻率的增大作用远大于析出惫。 加入稀土i ； ，杂质多以游离状态存在，溶解于铝基体中而不在晶界卜富集。 加入稀土后，在凝固的过程中，富集在固，液界面前沿的稀土元素，由于是类表 面活性元素，将会吸附固，液界面前沿同时存在的f e 、s i 等其他元素，并阻碍f e 、 s i 等原子穿过界面层两侧的迁移过程，减少了f e 、s i 等原子进入 t - a l 的机率，增 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 + 。- h 一 _ 。“。h 。1 。1 _ _ _ 。_ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ 。- _ h - 。 ，_ _ 。- _ 。_ 。_ _ h - - _ _ _ _ _ ，- ，_ _ 一 加了界面前沿液相中f e 、s i 的浓度梯度，使得器蕊上富集的稀士有可能进入寓铁 相( a i f e s i ) 中形成新的富铁化合物，女 i ( a 1 f e r e ) 或( a 1 f e s i r e ) + g ，从而改变富饮j ? g 的组成，并在晶界析出；稀土元素c e 可与s i 形成c e s i s 及c e s i 等短柄状及球状 颧粒相。因此降低了杂质元素在基体中的固溶度，从而可提高铝的导电性。d f 【， 试验表明，在工业纯铝中混入1 0 一- 2 0 的铝废料后，加入一定 量的稀= ：元素可使 铝导线的性能达到国际电工委员会( i e c ) 标准要求。 文献还研究了稀土对高纯铝织构的影响 3 1 , 3 2 】，众多研究表明，f e 是阻碍高纯 铝中立方织构形成的最有害的杂质元素，f e 含量越高，立方织构越少。在铝中加 入稀土元素时，可以与f e 及s i 形成稀土化合物，有效减少f e 的危害。y 与离纯 铝中的f e 会形成f e y a l 8 、f e 6 y a l 6 、f e 4 y a i s 、s i y 砧2 及c u 4 y a l 5 等化合物，c e 呵 以与这些杂质形成c e f e 2 a 1 i o 、c e s i 2 a 1 3 、c e m n 4 a 1 8 、c e 3 c u 8 m n a l 2 4 等化合物，这 些含f e 、s i 化合物的形成能净化基体，退火时可有效消除杂质元素特别是f e 对立 方取向晶粒形核和长大的阻碍作用，圜而增加成品箔材中立方织构的含量。另外， 析出的含稀土化合物粒子在变形过程中阻碍位错运动，增加变形后的储能，凼而 可促使再结晶过程中立方晶粒的形核与长大。 1 2 2 稀对铸造铝合金性能的影晌 铸造铝合金具有良好的铸造性能、抗腐蚀性能和切削性能，可制成各种形状 复杂的零件，并可通过热处理改善铸件的力学性能。而且熔炼工艺和设备比较简 单，成本低，所以在许多工业领域得到了广泛的应用，主要的铸造铝合金有a 1 s i 系、a 1 一c u 系。 1 2 2 1 稀土对a 1 s i 系铸造铝台金性能的影晌 铝硅系铸造合金具有优良的铸造性能，离的致密度、良好的耐蚀性和定的 强度，在工业上得到广泛应用。 研究表明。9 】：稀土是a 1 s i 合金的一种有效变质剂，在一定条俘f ，可以获 得与n a 相似的变质效果，并且稀士变质具有长效性和重熔稳定性，经稀土变质的 a l s i 合金具有较高的高温性能。采用稀土与常用a 1 s i 变质剂复合变质m s i 合会， 口j 。增强变质效果，提高铸锭性能。 a 东北大学硕士学位论文第一章绪论 加了界面前沿液相中f e 、s i 的浓度梯度，使得界面上富集的稀士有词能进入富铁 相( a i f e s i ) 中形成新的富铁化合物，如( a i f e r e ) 或( a l f e s i r e ) , t 目，从而改变富铁糖 的鲴成，并在晶界析出：稀土元素c e 可与s i 形成c e s i ! 及c e s i 等短柄状及球状 颗粒相。冈此降低了杂质元素在基体中的固溶度，从而可提高铝的导电性。工业 试验表明，在工业纯铝中混入1 0 - 一- 2 0 的铝废料后，加入一定量的稀士元索可憧 铝导线的性能达到国际电工委员会( i e c ) 标准要求。 文献还研究了稀土对高纯铝织构的影响p ”j ，众多研究表明，f e 是阻碍高纯 铝中立方织构形成的最有害的杂质元素，f e 含量越高，立方织构越少。在铝中加 入稀土元素时，可以与f e 及s i 形成稀土化合物，有效减少f e 的危害。y 与高纯 铝中的f b 会形成f e y a l s 、f e 6 y a l 6 、f e 4 y a i s 、s i y a h 及c u 4 y a l 5 等化合物，c e 可 以与这些杂质形成c e f e 2 a i l o 、c e s i 2 a 1 3 、c e m m a l 8 、c e 3 c i l 8 m r l a l 2 4 等化合物，这 些台f e 、s i 化合物的形成能净化基体，退火时可有效消除杂质元素特姗是f e 对立 方取向晶粒形核和长大的阻碍作用因而增加成品箔材中立方织构的含量。另外， 析出的古稀土化台物粒子在变形过程中阻碍位错运动，增加变形后的储能，因而 可促使再结晶过程中立方晶粒的形核与长大。 1 2 2 稀对铸造锅台金性能韵影晌 铸造铝合金具有良好的铸造性能，抗腐蚀性能和切削性能，可制成各种形状 复杂的零件，并可通过热处理改善铸件的力学性髓。而且熔炼工艺和设备比较简 单，成本低，所以在许多工业领域得到了广泛的应用，主要的铸造铝台金有a 1 一野 系、a 1 c u 系。 1 , 2 2 1稀土对a 1 s i 系铸造铝台金性能的影响 铝硅系铸造台金具有优良的铸造性能，高的致苗度、良好的耐蚀性和一定的 强度，在工业上得到广泛应用。 研究表明o ”3 w ：稀土是a 1 s i 合金的一种有效变质剂，在一定条件f ，可以获 得与n a 相似的变质效果，并且稀士二变质具有长效性和重熔稳定性，经稀主变质的 a 1 s i 合金具有较高的高温性能。采用稀土与常用m s i 变质剂复合变质a l s j 合金， 硎。增强变质效果，提高铸锭性能。 硎。增强变质效果，提高铸锭性能。 + 4 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 h-_-_-_-h一 在s r 变质过共晶a l s i 合会时，s r 的加入不能细化一次硅，但可改变共晶磴 生长形态，c e 与s r 联合作用下共晶硅碎化为细密点状。单独添加s r 时，存合余 液中s r 主要以a h s r 存在，该化合物不稳定，易分解不能超到非均匀形核作用， 对细化次硅无效，但游离s r 吸附在生长着的s i 表面，阻止共晶硅按片状方式q ： 长，长成纤维状。c e 的加入可形成c e 0 2 ，c e 0 2 也可作为共鼎硅非均匀形核核心。 故复合变质时，c e 使共晶硅形核率增高，改变了共晶硅生长形态使之醉化为细密 点状，而未变质共晶硅呈粗大针片状。研究表明，当c e 加入量为0 8 时，除能 生成c e 0 2 促进s i 非均匀形核显著细化次硅外，还能形成台稀士耐热桓 a 1 12 r e s i o8 ，a i s c e f e 4 等，进一步提高该合金耐热性。 在p 变质a l s i 合金时，加入l a 、y 稀元素，结合磷的作用，镧、钇可实 现初晶硅和共晶硅的双重变质。随着凝固过程的开始，稀土元素迅速在凝固河沿 富集，吸附在初晶硅表面上，可有效地抑制初晶硅的长大，加大过冷度、细化初 晶硅。其中初晶硅可细化至2 2 1 s m 左右，适量l a 可形成有利予提高高温性能的 a 1 5 s i c u 2 l a 化合物，y 可以有效地抑制该化台物长成粗大针状。经淬火及稳定化 回火热处理后，台金室温抗拉强度可达2 7 6 m p a ，高温3 0 0 。c 强度可达1 7 4 m p a “。” 。 1 2 2 2 稀土对a i c u 系铸造铝合金性能的影响 a 1 一c u 系合金具有较高的热强性能，但耐蚀性和铸造性能不及a l s i 系铸造合 金，在a i - c u 系合金添加稀土元紊可以提高其铸造性能、强度和耐热性。 稀土元素c e 的加入可明显改善a 1 c u 合金的铸造性能1 4 6 o t 。稀土c e 的原子 半径比铝的大，它基本不溶于铝中，所以稀土c e 在铝中密集地近程排列在原子复 团表面，从而降低了表面张力和临界晶核的形成功，使相同条件的液相中临界晶 核增加细化了晶粒组织。促使a i c u 合金的线收缩降低，热裂时最大应力增加。 液态金属的粘性与合金的成分有关，且在流动过程中随会属液温度的降低而 不断增高，当液体中出现晶体时，粘性急剧增高。稀土的加入，减少了低熔点必 杂物的含量，这样就使金属液粘度减小，增大了流动性。 研究表明：在纯稀土c e 加入量小于o 2 时，睫c e 加入量的增加，a 1 4 5 c u 合会的线收缩降低，热裂的最大应力增加流动性增加；当纯稀士c e 的含量为o 2 时，a 1 4 5 c u 合余的铸造性能达到最好： 东北大学硕士学位论文 1 2 3 稀对变形铝合金性能的影晌 变形铝合会是经熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成各种型材、捧材、管 材和板材。因此，要求合会具备优良的冷、热加工工艺性能。变形铝合金披其成 分和性能特点又可分为不能热处理强化锅台金和可热处理强化铝合金。 1 2 3 1 稀土对2 x x x 系铝台金性能的影晌 2 x x x 系铝合会包括a 1 c u - m g 、a 1 - c u - m g s i 和高强a i l ，i 合令等，如常见的 2 0 1 4 、2 0 2 4 、2 6 1 8 、2 0 9 0 和2 0 9 1 等合金。 研究表明| 5 1 j ：在a 】一c u m g 中添加微量c e 能降低c u 、m g 原子的扩散速率， 从而延缓强化相的粗化和转化，有利于提高强化相的高温热稳定性，增强合余的 离温耐热性能。另外，由于稀土还可以与合金中的c u 、m n 等形成复杂的化合物 如a 1 l s c u 4 c e 、a l l s m r h c e 及化合物c e a l 4 、l a a l 4 等，这些化合物都具有嶷好的热 稳定性和耐热性，并与合金中原有的强化相产生复杂的交互作用，提高合令的州 热刮磨性和高温强度。 在2 0 9 0 合金中添加c e 能增加t 1 相( a 1 2 c u l l ) 析出量，减小t 1 相直径和均 匀化t 1 相分布。含微量c e 的2 0 9 0 合金中t l 相的厚度略大于同等时效条件下2 0 9 0 台金中t 1 相厚度1 5 4 1 。同时，c e 的加入虽然不改变2 0 9 0 合金主织构类型，但能造 成主织构类型分布漫散；由于c e 降低了增加屈服强度各向异性织构成分的含量， 敞c e 呵改变2 0 9 0 铝锂合金理想织构成分的体积分数，减小屈服强度各向异性， 稀土还能与台金中的析出相产生交互作用，如在a i - c u s c 合金中，o 相( c u a l ，) 与a i 3 s c 粒子发生交互作用，通过改变时效制度，可以控制不同相的析出情况，从 而控制合金的性能 5 2 - 5 7 】。 1 2 3 2 稀土对3 系铝台金性能的影响 3 系铝合金主要是a i m n 合金，如3 0 0 4 、3 1 0 4 合金等，加入稀土元素能 净化合金熔体，并能和台金中的氢生成稳定性的化台物，从丽减少氢的含量，提 高合余的质量。 - 6 东北大学硕士学位论文 1 2 3 3 稀对5 x x x 系铝合金性能的影晌 第一章绪论 5 x 系铝台金主要是a 1 一m g 系合金，稀士元素的加入可以大大改善合会的 性能，研究表明 5 8 - 6 3 ：在a i m g 台金中添加微量的s c ，可提高合金的强度，细化 合龛的晶粒组织，s c 含量越高，合金强度提高的幅度越大，晶粒细化效果越显著； s c 的加入还使合金中析出a 1 3 s c 质点，对位错和亚晶界起钉扎作用，抑制合会的 冉结晶。含微量s c 元素的a 1 一m g 合金可在较宽温度和应变速率范围内获褥良好的 超塑性s c 的加入还可以提高a 1 m g 台金的焊接性能。将l a 加入高m g 合金中， 能显著提高合金的抗海洋腐蚀能力，并有助于合会组织的改善。 1 2 3 ，4 稀土对6 x x x 系铝合金性能的影响 6 系铝合会主要是a i m g s i 合金，如常见的6 0 6 1 、6 0 6 3 铝台会。研究表 明【“47 j 将l a 加入到a 1 m g - s i 台金中，由于l a 与f e 等杂质形成金属问化合物， 消除杂质影响，从而提高耐蚀性；出于l a 在台金表面富集，改变了钝化膜的成分， 使原有的膜更加纯净致密，也会提高合金的自i 蚀性。将c e 加入到a i m g s i 合金 中，虽然不能影响合金中第二相的基本分布特征，但出现许多含c e 的第二相，能 使晶粒细化，并有效的减少铸锭组织的二次枝晶间距。在a i ，m g s i 遵筑铝型材中 加入适量稀，可使铝型材的晶粒细化，提高合金的力学性能、耐蚀性和抗氯化 性，并改善合余的流动性和加工性能。 1 2 3 5 稀土对7 x x x 系铝合金性麓的影响 7 系铝合金主要是a i z n - m g 合会和a 1 一z 1 1 - m g c u 合金，如常见的7 0 0 5 、 7 0 5 0 、7 0 7 5 合会，具有很高的强度，还有良好的热加工性能。研究表明f 6 8 - 7 0 ) ：将 混合稀土加入到a 1 - z n m g 合金中，晶粒尺寸减小，促进了强化相m g z n 2 的析出， 此外还能够明照减少合金中的氢含量，从丽使合金的屈服强度和延伸率均有提高， 同时可大大提高其抗应力腐蚀断裂性能。当混合稀士加入量大于o ，2 时能够明显 降低够j 构的【1 1 1 组分，增强 0 0 1 组分。将s c 添加到a i z n m g 合会中，除少量固 溶于西a 1 ) 外，大部分以a h s c 化合物的形式存在，一方面可强烈细化合会铸造组 织，另一方面在随后的热处理过程中大量析出二次a h s c 粒子，细小弥散分布，能 强烈钉扎位锗和晶界，阻碍晶界迁移和位错运动，使该合会获得亚结构强化和弥 散强化，因丽使合金获得商的强度和延伸率，并具有良好的高温性能。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 稀土元素e r 及a i - e r 合金 铒( e r b i u m ) 是第6 8 号元素，是一种重稀土元素，原子半径为0l7 5 7 n m ，崭 度为87 9 5 9 c m 3 ，熔点为1 5 2 2 0 。c ，电予逸出功为3 1 2 e v ，具有较高的化学活性 可与氧反应生成粉色的e r 2 0 3 ，并可与氢、碳、硫、铁和硅等：无素发生反应，t p 成 熔点较高，稳定性较好的化合物1 9 l 。e r 在地壳中的储量十分丰富，相对于其它 螳的稀土元素如s c ，e r 的价格比较低廉，为s c 价格的1 4 0 ，这使得e r 在铝工业 中的推广应用具有很大的优越性”。 表卜1 列出了e r 和其它稀土元素的主要性质以及它们在锅中的特性p j 。由此 表可以看出，e r 的原子半径比其它很多稀土元素的原子半径要小，它与铝的电负 性差也较小，这有利于e r 在铝中的固溶。 表l - 1 主要稀j t 元素f 匀性质及其在锚中的特性 t a b l el 一1c h a r a c t e r so f t h em a i nr ee l e m e n t sa n di t sc o m p a r i s o ni na i 与a l 原纯a l 的熔其晶点 稀土室温原子半径 子半径 电负与a i 电点与共晶温 成分 元素h v ( m p a ) ( n m )差( 徇 性负性差 度差( ) ( a t ) e r7 0 00 1 7 5 72 31 2 0351 0 s c8 5 0 0 1 6 4 11 4 81 30 250 3 y6 0 001 8 0 32 6 21 2o 31 03 3 l a4 0 0 0 1 8 7 73 1 4l 10 42 02 5 c e2 5 00 1 8 2 42 7 61 0 5 0 4 5 2 02 n d3 5 0 0 1 8 2 22 7 51 2 0 3 2 07 4 s m4 5 00 1 8 0 2 2 6 1 1 2 0 32 81 5 e u一0 2 0 4 1 4 2 81 1 0 4 一 1 720 1 6l8 2 48 2 1 32 6 1 61 7 3 5 40 目前，稀土e r 主要应用在光导纤维当中盼7 引。三价的e r ( 择优价态) 由r 具有特殊的电予排前j ，使得e r 在当代光通信技术的发展中超了非常重要的作用。 掺e r 的光学放大器具有线性增益响应、温度和极化的不灵敏性及低的噪音，在光 8 吼n 限c ；n 仉 2 2 2 卫2 始粼m踟粥踟 l 3 5 7 7 9踮码 佰w 鸲 c ；c ；n n n 吼 0 o o o 0 o鲐 舒踟n 哪 璺n 东北大学硕士学位论文第一章绪论 通信网络中广为应用。e r 在陶瓷业中也有用武之地，如使用氧化铒可以产生一种 粉红色的釉质。此外，e r 在核工业、半导体材料、超导材料及永磁材料中也有7 一 泛的应用前景。 a 1 e r 相图1 9 | 如图1 1 所示，由图可知，相图铝端有一共晶体a 1 a b e r ，共晶 温度为9 2 8 k ( 6 5 5 ) ，共晶点成分为6 w t e r ，e r 在锅中的平衡固溶度很低，小 于o ，0 5 。a 1 3 e r 的结构为立方晶系，空间群为p m 3 m ，单位晶胞中有4 个原子， 晶格常数a = 4 2 1 5 r i m ，它是通过包晶反应形成的，如下式： 液体+ a 1 2 e r _ a 1 3 e r ( 1 3 4 0 k ) 由该相图和表1 。1 可以看出，a l e r 合金的共晶温度较高( 与纯铝的熔点仅差 5 。c ) ，而共晶点成分则相对较低，而且e r 在a l 中形成的a l 止r 在结构及晶胞常数 等方面均与a j 3 s c ( 立方晶系，空间群p m 3 m ，a = 41 0 6 n m ) 接近。e r 的这些特性 与s c 相类似，故e r 在铝及铝合金很可能具有与s c 相类似的作用，冈此有必要对 此进行深入研究。 围1 1a i - e r 相圈的a i 端 f i g 。l 。l t h e p h a s e d i a g r t w a o f b i n a r y a i e r a l l o y 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 a i m g 合金的特点及性能 铝镁系合金的主要合金元素是镁，铝一镁合金在冷加工后既有高的强度，又有 良好的塑性，还有极好的抗蚀性和焊接性。 铝- 镁相图铝端有一共晶反应1 7 3 j ：液体 a l + m 9 5 a 1 8 7 2 3 k ，3 5 m g ，如同 1 2 所示，溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但存大 部分工业用变形铝合会中，镁的含量均小于6 ，而且硅含量也低，这类合余是小 能热处理强化的。 镁对铝的晶格常数影响是很明显的，每增加l 镁，铝的晶格常数约增加 o 。0 0 5 x 1 0 。m ，达到平衡固溶极限的固溶体的晶格常数是4 1 2 9 4 x 1 0 - 1 0 1 1 1 ，固溶 3 7 m g 时( 急冷时获得) ，铝的晶格常数达到4 2 1 5 5 x 1 0 - 1 0 m 。在工业合会中，m g 的室温固溶度为2 ，而在7 2 0 k 时为1 4 1 5 ；因而，大部分镁固溶于围溶体中， h 有非平衡状念或退火状态才有m 9 5 a 1 8 ，m g s a l 8 与越的界面畿很低，因此，沉 淀质点很快聚集，添加少量的锰可以使m 9 5 a 1 8 从化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和 焊接性能。 液体 争、哆 。添 液体+ 州蠹锋 鸭一k 。p ? 枣 k 毛一上 秘鼻 i 、 i * _ 7 3 s 。k l ，t 。, 秒_ 弛刘娑 k i ，、 、 _ 6 节一 惦， l q 6 戡l 3 、 岷叶： 蛹8 航i r l 鲇+ h 曩 i 1 i 0 ”， l i l 弛+ b 。1 | 、卜 1 ， 嘲n 重量， 图12 a i - m g 台金相图 f i 9 1 2t h ep h a s ed i a g r a mo f b i n a r ya i m ga l l o y 在铝镁合会中，镁是控制合金力学性能的主要元素，研究表明例，每增加 1 m g ，抗拉强度大约升高3 4 m p a ，其他合金元素也有一定的影响。热处理不能显 著提高合会的强度，但对铸件围溶处理后进行自然时效，可以提高延伸率。 l o 东北大学硕士学位论文 莓一章绪论 1 5 本论文研究的目的和内容 s c 是迄今为止所发现的对铝合金改性作用最为显著的稀土元素，但是昂贵的 价格艰制了其广泛应用，因此寻找一一种既有着与s c 性质相似或更好而且价格便直 的稀土元素来代替s c ，具有重要的现实意义。 参阅相关文献 7 5 - 7 8 i ，我们发现穗土元素铒( e r b i u m e r ) 是一种对铝食袅性能 有益的微合金化元素，有望与s c 相媲美。前期研究实验结果表明，将稀土无索锚 ( e r ) 添加到高纯铝、a t - z n m g 及a l 一“合金中，发现e r 可以显著地提蒿它们的 力学性能( 强度、硬度) ，并能改善耐蚀性能、热稳定性能以及焊接性能。e r 列铠 及其台会的有效作用主要来自于晶粒内细小弥散析出的a 1 3 e r 相。该相与a 1 3 s c 等 同属于p m 3 m 空间群( l 1 2 型结构) ，与a l 的结构( 面心立方) 类似，其晶格参 数( a = 0 4 2 1 5 r i m ) 也接近于a i ( o 4 0 4 9 n m ) ，因此细小a 1 3 e r 相能与纂体a j 保持 其格或半共格，并且该相熔点高，稳定性好。合金在熔铸过程中形成的初生a l j m 粒子在凝固时可作为非均质形核核心，提高形核率，使鼎粒显著细化；而在热处 理工艺过程中析出的细小弥散的a l ，e r 质点由于第二相析出强化、皿结构强化等效 应使得合会的力学性能( 硬度、强度) 褥到明显提高；这些细小弥散的a 1 3 e r 粒“f 对位锗和亚晶界还具有钉扎作用，能有效抑制再结晶，细化再结晶晶粒。 由此看来，e