快速凝固Al-Fe-Ce合金的相變與性能研究

王嘉婧, 張　晴, 詹載雷, 白云亮, 嚴(yán)　彪

(同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海市金屬功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海　201804)

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快速凝固Al-Fe-Ce合金的相變與性能研究

王嘉婧, 張晴, 詹載雷, 白云亮, 嚴(yán)彪

(同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海市金屬功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海201804)

摘要：采用相成分分析(X射線衍射)、組織觀察(透射電子顯微鏡)和力學(xué)性能檢測(cè)(顯微硬度)等結(jié)合的方法,對(duì)單輥旋鑄法制備的快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金薄帶的急冷態(tài)和退火態(tài)進(jìn)行相變與熱穩(wěn)定性能的分析.亞穩(wěn)相Al10Fe2Ce和平衡相Al13Fe3Ce的晶格參數(shù)以及晶格結(jié)構(gòu)已被確定.棒狀的亞穩(wěn)相Al20Fe5Ce也在TEM中被觀察到.穩(wěn)定相Al13Fe3Ce是亞穩(wěn)相Al10Fe2Ce和Al20Fe5Ce經(jīng)過(guò)熱處理后不完全轉(zhuǎn)變而形成.結(jié)果表明:在退火處理過(guò)程中,隨著溫度的升高,有明顯的析出相出現(xiàn),并且出現(xiàn)了長(zhǎng)大趨勢(shì);顯微硬度也隨退火溫度變化而變化,在340 ℃出現(xiàn)最高峰值,說(shuō)明該合金在340 ℃能保持較好的熱穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：Al-Fe-Ce合金; 快速凝固; 退火處理; 顯微硬度; 相變

0引言

隨著航空與航天工業(yè)的發(fā)展,對(duì)鋁合金部件的工作溫度要求越來(lái)越高,但大多數(shù)常規(guī)鋁合金在使用溫度高于Tm/2(Tm為合金熔點(diǎn)) 時(shí)會(huì)因?yàn)閺浬⒘Ｗ雍途Я５拈L(zhǎng)大而使性能下降[1].產(chǎn)生彌散粒子粗化的主要原因是溶質(zhì)元素在鋁中較小的平衡溶解度,加熱后高的擴(kuò)散速率,以及彌散相與基體之間較高的界面能,因此合金的高溫穩(wěn)定性差.快速凝固技術(shù)能極大地提高合金元素的過(guò)飽和固溶度,從而產(chǎn)生良好的固溶、彌散強(qiáng)化作用,同時(shí)可以細(xì)化晶粒產(chǎn)生亞穩(wěn)相.在過(guò)去的20年里,為了能在200～400 ℃使用溫度范圍內(nèi)用低密度、低價(jià)格的鋁合金代替昂貴的鈦合金,快速凝固鋁鐵合金受到廣泛的重視,使得該領(lǐng)域得到了快速發(fā)展.20世紀(jì)70年代,美國(guó)率先開(kāi)展了快速凝固耐熱鋁合金的研究,以替代飛行器上使用的鈦合金.Thursfield等[2]研究了Al-8Fe和Al-8Fe-X(X為Cr、Mn、Zr等),制得了強(qiáng)度較高的材料.20世紀(jì)80年代以來(lái),借助快速凝固技術(shù)和粉末冶金技術(shù)的迅速發(fā)展,各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了一系列的耐熱鋁合金.1983年Hideman制備了Al-Fe-Ce合金.美國(guó)Allied-Signal公司在20世紀(jì)80年代率先開(kāi)發(fā)出的快速凝固Al-Fe-V-Si合金是一種新型耐熱高強(qiáng)鋁合金,該材料具有高的室溫和高溫強(qiáng)度、高剛度、良好的斷裂韌性和低的析出相顆粒粗化速率等優(yōu)良的綜合性能[3-4].快速凝固技術(shù)極大地提高了合金的凝固速率,增加了合金元素在鋁中的固溶度,形成了大量高溫穩(wěn)定、高彈性模量且彌散分布的金屬間化合物析出相,強(qiáng)化了基體和晶界,體現(xiàn)出優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能,將鋁合金的使用溫度提高到了300 ℃以上[5-6].國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了以Al-Fe、Al-Cr系為代表的一系列耐熱鋁合金,并且已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用[7].近幾十年來(lái)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用的Al-Fe系的典型合金主要有:美國(guó)鋁公司的Al-Fe-Ce系合金,美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司開(kāi)發(fā)的Al-Fe-V-Si系合金,Prutt&Whituey開(kāi)發(fā)的Al-Fe-Mo-V系合金,Pechiney的Al-Fe-Mo-Zr系合金以及Sumitomo的Al-Fe-V-Mo-Zr系合金等[8-10].在耐熱鋁合金Al-Fe系中,由于Al-Fe-Ce基合金中的析出相較多,析出過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,在此方面的文獻(xiàn)報(bào)道甚少.本文針對(duì)退火處理對(duì)快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金薄帶的相變與力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究.

1試驗(yàn)

用純鋁絲(99.999%)、中間合金Al-20.7Fe和中間合金Al-10.4Ce,在多功能真空電弧熔煉爐里制備成Al-Fe-Ce合金錠.將熔鑄得到的母合金錠加工成直徑為5 mm×5 mm×8 mm的柱體,在砂輪上磨去氧化皮后,用酒精超聲去除塊體表面殘留的油漬,待干后將其裝入真空單輥旋鑄機(jī)制備合金薄帶.其工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速35 m·s-1,壓差0.03 MPa,石英管口徑1 mm,石英管距滾軸面1 mm,所噴制的合金帶材寬度約為2 mm,厚度約為30 μm.挑選其中較為致密完整的帶材放入石英管中并且抽真空,真空度約為0.1 Pa,將裝有帶材的石英管放入馬弗爐,分別進(jìn)行340,370和400 ℃的2 h退火處理.將急冷態(tài)和4種退火態(tài)帶材剪成多根長(zhǎng)度為2 cm的帶材制備成XRD樣品,隨后將每一種狀態(tài)相應(yīng)的XRD樣品分成兩部分,分別制成TEM樣品和顯微硬度測(cè)試樣品.帶材先經(jīng)機(jī)械研磨,然后雙噴減薄制成TEM樣品,電解液為體積分?jǐn)?shù)10%的高氯酸乙醇溶液.最后用顯微硬度計(jì)測(cè)試每一種狀態(tài)的帶材樣品輥面的硬度,加載100 g,保載時(shí)間為15 s,取7次平均值.

2結(jié)果和分析

2.1顯微組織

圖1為快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金急冷態(tài)和不同熱處理溫度下組織的TEM照片.從圖1(a)中可以看到大量納米級(jí)彌散物分布在α-Al基體上.這是因?yàn)橄⊥罜e元素具有極小的平衡極限固溶度和固態(tài)擴(kuò)散系數(shù),經(jīng)快速凝固后產(chǎn)生過(guò)飽和固溶體,多在界面前沿的液相層富集,并對(duì)鐵原子有一定的吸附作用,減小了Fe原子進(jìn)入Al基體的幾率,抑制了富鐵相的生長(zhǎng),因而獲得較為細(xì)小的組織[11].另一種少量的過(guò)飽和固溶組織呈等軸放射狀的晶花形狀,這是因?yàn)橄⊥僚cFe形成稀土化合物,呈細(xì)小的花朵狀均勻分布于晶內(nèi),稀土的加入可以細(xì)化晶粒,提高Al-Fe合金的性能[12].圖1(c)和圖1(d)是合金薄帶經(jīng)340 ℃×2 h退火后的顯微組織照片,與極冷態(tài)對(duì)比,340 ℃退火態(tài)合金具有更多的彌散相,放射狀晶花也相應(yīng)粗化,但沒(méi)有明顯的新析出相出現(xiàn).合金薄帶經(jīng)370 ℃×2 h退火后,顯微組織出現(xiàn)明顯變化,固溶在基底的彌散物長(zhǎng)大成為胞狀小顆粒,胞晶尺寸大多在 600 nm 左右,部分顆粒達(dá)到1.2～1.8 μm,等軸放射狀晶花也出現(xiàn)明顯的粗化,這些析出相對(duì)此類合金的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性有很大的影響.合金薄帶經(jīng)400 ℃×2 h退火后,晶粒數(shù)量增多,彌散分布趨勢(shì)增強(qiáng),在合金組織中所占比例明顯增加,放射狀晶花組織出現(xiàn)較大幅度粗化.

圖1　不同退火狀態(tài)下快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce的透射電鏡圖

2.2急冷態(tài)與退火態(tài)相組成

圖2為快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金急冷態(tài)與熱處理態(tài)的X射線衍射譜.查對(duì)Al、Fe元素組成物的PDF卡片,Al-6.87Fe-3.95Ce合金主要存在α-Al和γ-Fe兩種主相.急冷態(tài)薄帶合金組織存在初生相Al3Fe,亞穩(wěn)相Al6Fe和Al10Fe2Ce(40°～45°),經(jīng)340 ℃退火后,無(wú)新相析出.但峰值有變化,主峰的相對(duì)強(qiáng)度增大,整體峰位向小角度方向偏移,尤其是高角度的峰.根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ,因?yàn)閞Al

圖3　快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金經(jīng)370 ℃退火后所得亞穩(wěn)相Al10Fe2Ce的透射電鏡圖

圖4　快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金經(jīng)370 ℃退火后所得穩(wěn)定相Al13Fe3Ce的TEM圖

2.3力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)于合金的耐熱性可以用極限強(qiáng)度這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量,硬度和強(qiáng)度的關(guān)系為σb=K·HB,其中K為常數(shù),它與金屬種類和性質(zhì)有關(guān),因此硬度值可以間接地作為衡量合金耐熱性的指標(biāo).合金的強(qiáng)度和硬度是由固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化兩種機(jī)制共同決定的[14].

在不同溫度下退火,合金的硬度發(fā)生了顯著變化,這可能是由于再結(jié)晶、沉淀相析出和相長(zhǎng)大共同作用的結(jié)果.圖5為Al-6.87Fe-3.95Ce合金快速凝固的顯微硬度與退火溫度之間的變化關(guān)系.由圖5可見(jiàn),340 ℃退火,合金顯微硬度較未處理的急冷態(tài)略有上升,因在此溫度范圍退火,沒(méi)有明顯的長(zhǎng)大析出,處于再結(jié)晶的孕育期.350 ℃退火,硬度顯著下降,在370 ℃退火,硬度繼續(xù)下降.這一過(guò)程主要是第二相的析出使得合金過(guò)飽和固溶度下降,固溶強(qiáng)化作用減弱.繼續(xù)使退火溫度升高到400 ℃,硬度略有上升,這是由于彌散相在高溫下繼續(xù)彌散析出,且均勻地分散在基體上,使合金的強(qiáng)度有所上升.參考350 ℃和450 ℃的硬度,在450 ℃退火后,硬度再次下降,一方面因?yàn)闇囟鹊睦^續(xù)升高使析出相粗化、聚集,另一方面彌散相粒子在高溫下軟化,使其對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用降低所致.

Fig.5　快速凝固Al-6.87Fe-3.95Ce合金的顯微硬度與

3結(jié)論

(1) 在退火處理過(guò)程中,隨著溫度的升高,基體中有明顯的析出相出現(xiàn),并且出現(xiàn)了長(zhǎng)大趨勢(shì).

(2) 有亞穩(wěn)相和穩(wěn)定相共存,并分析了Al13Fe3Ce和Al10Fe2Ce的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及Al20Fe5Ce的形貌.

(3) 顯微硬度在340 ℃出現(xiàn)最高峰值,說(shuō)明該合金在340 ℃能保持較好的熱穩(wěn)定性.

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Study on Phase Transition and Mechanical Properties of Rapidly Solidified Al-Fe-Ce AlloyWANG Jiajing, ZHANG Qing, ZHAN Zailei, BAI Yunliang, YAN Biao

(Shanghai Key Lab of D&A for Metal-Functional Materials, School of Materials Science

and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：In the paper the phase transition properties and thermostability of rapidly solidified Al-6.87Fe-3.95Cealloy strip prepared by single roller casting in rapidly quenched state and annealing state were investigated by using X-ray diffraction(XRD),transmission electron microscopy(TEM),and microhardness test.Lattice parameters and structures of metastable Al10Fe2Ce phase and equilibrium Al13Fe3Ce phase were identified.Bar-shaped metastable Al20Fe5Ce phase was observed in TEM.Stable Al13Fe3Ce phase was the incomplete transformation of metastable Al10Fe2Ce phase and Al20Fe5Ce phase after heat treating.The results showed that distinct precipitated phase appeared and grew with the increase of temperature during annealing treatment;Microhardness changed with annealing temperature and reached a peak value at 340 ℃,at which temperature the alloy had good thermostability.

Keywords：Al-Fe-Ce alloy; rapidly solidify; annealing treatment; microhardness; phase transition

中圖分類號(hào)：TG 146.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：王嘉婧(1989—),女,碩士研究生,主要從事金屬材料的表面處理等方面的研究. E-mail:tear_JJ@hotmail.com通訊作者： 通訊作者：嚴(yán)彪(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事金屬材料的表面處理等方面的研究. E-mail:84016@tongji.edu.cn

收稿日期：2015-01-05