成分和冷卻速度對Al-xEr合金凝固組織的影響

寧 靜，高坤元，李浩楠，文勝平，黃 暉，吳曉藍，魏 午，聶祚仁

(北京工業大學 材料與制造學部 教育部先進功能材料重點實驗室，北京 100124)

在鋁合金中加入微量元素Er，可以有效地改善鋁合金的綜合性能[1-3]。這主要是由于鋁合金時效過程中會析出納米級Al3Er金屬間化合物，其彌散分布在鋁基體中，具有立方L12結構，并與鋁基體共格[4]。Al3Er作為合金中的強化相，其顯微組織與合金的性能密切相關。此外，金屬間化合物Al3Er具有低密度、高抗氧化性和高熔點等獨特的物理性能，是一種潛在的高溫結構材料[5]。Er含量超過6%(質量分數)時，Al-Er合金在凝固過程中，熔體中會析出Al3Er金屬間化合物，因此，對Al-xEr合金的研究是十分必要的。

目前對Al-xEr合金的研究主要集中于微量Er添加到鋁合金中，時效過程析出納米級金屬間化合物Al3Er相，或是共晶反應生成的Al3Er相[1-4,6-7]，而對Al-xEr合金凝固組織研究較少，Meyer[8]將過共晶Al-20Er(質量分數，%)合金加熱至完全液態后以不同的速度冷卻至室溫得到Al3Er和基體鋁，再用氫氧化鈉溶液將基體鋁溶解后，得到了純的初生Al3Er，發現以較快的速度(85 ℃/h)冷卻時，Al3Er相是L12結構；而在極慢的冷卻速度(4 ℃/h)下，Al3Er相是hR20結構。但對于除初生Al3Er相之外的凝固組織、中等冷卻速度下得到的凝固組織的微觀形貌及相結構均未報道。

由于合金成分、冷卻速率是金屬凝固時最主要的條件[9]，凝固條件的改變將會使相的結構和組織形態發生轉變。此外，Er含量較低時，獲得的Al3Er相非常少，難以對其進行相關的試驗研究。因此，本文選用過共晶Al-xEr(x=10、20、30，質量分數，%)合金，將其加熱至液態后以不同的冷卻速率冷卻得到較大尺寸的凝固組織，之后通過XRD對其結構進行了測定，并通過SEM觀察其組織形貌特征。

1 試驗材料與方法

選用過共晶Al-xEr(x=10、20、30，質量分數，%，下同)合金，成分見表1。先將其切割成塊狀，放入直徑為φ25 mm的氧化鋁坩堝中，然后在真空度10-3Pa的氬氣保護下密封于石英玻璃管中，再將Al-10Er、Al-20Er、Al-30Er試樣分別加熱至850、1000和1100 ℃，保溫120 min至完全液態。將加熱保溫后的試樣以60、40和5 ℃/h的速率冷卻至固相線500 ℃以下，之后隨爐冷至室溫。Al-30Er合金的熱處理工藝見圖1。

表1 Al-xEr合金的化學組成(質量分數，%)

對試樣進行熱處理后，用2000號砂紙將其表面磨平，用XRD全譜連續快掃對試樣中的相結構進行測定，掃描速度6°/min。之后用金剛石研磨膏進行機械拋光。采用Helios Nano-lab 600i場發射掃描電鏡的背散射電子模式，觀察不同冷卻速率下凝固組織的形貌特征。

2 試驗結果與分析

2.1 成分對凝固組織的影響

Al-xEr合金以60 ℃/h的速率冷卻后的微觀形貌，如圖2所示。當Er含量為10%時，如圖2(a)所示，白色多邊形是初生Al3Er相，尺寸約200 μm，并以魚骨狀連接在一起。初生相周圍是深灰色暈圈，如圖2(a)中箭頭所指，其外形類似于初生Al3Er相。與暈圈相連的灰白色區域是共晶組織，呈絮狀。當Er含量為20%時，如圖2(b)所示，其凝固組織的形貌與含10%Er試樣相同，只是初生Al3Er相的尺寸增加了一倍，可達400 μm左右。圖2(c)為含30%Er的凝固組織的形貌，可以看到尺寸約為1 mm的初生Al3Er相塊狀結構，在相同的掃描電鏡放大倍數下，只顯示出了一部分初生相，相與相之間不存在魚骨狀的連接。隨著Er含量的增加，初生Al3Er相的尺寸增大。

對試樣進行XRD測定，結果如圖3所示。可以看出試樣中只存在Al、Al3Er兩種相，且都能很好地與PDF卡片上的衍射峰相重合。結合圖2分析，白色區域為Al3Er相，深灰色暈圈區域為Al相。

圖2 Al-xEr合金在60 ℃/h冷卻速率下的SEM圖

圖3 Al-xEr合金在60 ℃/h冷卻速率下的XRD圖譜

2.2 冷卻速度對凝固組織的影響

圖2(c)和圖4為不同冷卻速率下Al-30Er合金凝固組織的微觀形貌。在60 ℃/h的冷卻速率下(圖2(c))，白色塊狀區域為初生相，輪廓平直。初生相周圍由深灰色暈圈包圍，如圖2(c)中箭頭所示。暈圈周圍灰白相間的區域則為共晶結構，呈絮狀。在圖4(a)中，以40 ℃/h冷卻時，白色塊狀區域是初生Al3Er相，但形貌與60 ℃/h冷卻時不同，在圖4(a)的上半部分，初生Al3Er相的輪廓為波浪狀，而在左下角的輪廓平直。初生相的周圍也存在一層深灰色暈圈，如圖4(a)中箭頭所示。暈圈周圍灰白相間的區域為共晶組織，呈條狀。圖4(b)為在5 ℃/h冷卻速率下獲得的凝固組織，與圖2(c)、圖4(a)相比，初生Al3Er相輪廓僅存在波浪狀，其尺寸大大增加，表明冷卻速率足夠慢時，初生Al3Er相充分長大。

圖4 Al-30Er合金在不同冷卻速率下的SEM圖

對不同冷卻速率的試樣進行XRD分析，衍射光譜見圖5。結果表明，以不同的速率冷卻時，凝固組織中均含有Al、Al3Er相，但Al3Er相的結構不同。在60 ℃/h的冷卻速率下，Al3Er相呈L12結構；在5 ℃/h 的冷卻速率下，Al3Er相為hR20結構。當冷卻速率為40 ℃/h時，形成的Al3Er相為L12和hR20兩種結構并存。

圖5 Al-30Er合金在不同冷卻速率下的XRD圖

從圖2和圖4可以看出，凝固組織中均出現了Al暈。一般認為，暈圈主要出現在非共晶合金的凝固組織中，暈圈的形成與共晶組織中兩相的形核能力和生長速率有關。圖6是Al-xEr二元合金相圖富鋁端的示意圖。圖6中標出了過冷液體的成分-溫度點和耦合生長區。當過共晶Al-xEr合金從液態開始冷卻時，熔體中首先會析出初生Al3Er相，液相成分沿著液相線移動，直到達到低于共晶溫度的過冷度ΔT處，此時所對應的溫度-成分位于共晶生長的耦合區域之外，初生Al3Er相周圍會形成Al暈。隨著Al暈的生長，暈-液界面附近的液體成分逐漸向耦合區移動。當它移回耦合區的左側邊界時，共晶組織便開始生長。

圖6 Al-xEr二元合金相圖富鋁端的示意圖

圖7為不同冷卻速率下Al-30Er合金中共晶組織的SEM圖。結果表明，在60 ℃/h的冷卻速率下，共晶組織呈不規則絮狀，而在5 ℃/h的冷卻速率下，共晶組織呈條狀。冷卻速率和相結構可能會影響共晶組織形貌。首先，在60 ℃/h的冷卻速率下，共晶反應不能完全進行，原子的擴散也受到一定的限制。在這種情況下，共晶相的耦合生長受到抑制，α-Al相和Al3Er相以某種方式獨立形核長大，使共晶組織呈不規則絮狀。當冷卻速率為5 ℃/h時，共晶反應進行得更充分，接近平衡反應。同時，原子擴散充分，共晶的兩相能很好地耦合，并以近似條狀生長。其次，不同冷卻速率下得到的Al3Er相結構不同，如L12或hR20結構。L12結構對稱性高，堆垛順序以3層為周期堆垛，而hR20結構對稱性較低，堆垛順序以15層為周期堆垛，這也可能導致共晶組織形態的不同。

圖7 不同冷卻速率下Al-30Er合金中共晶組織的SEM圖

3 結論

1)過共晶Al-xEr合金從液態冷卻時，凝固組織包括初生Al3Er、Al暈和共晶組織。

2)隨著Er含量的增加，凝固組織中初生Al3Er相由魚骨狀變成塊狀，且尺寸增大。

3)在60 ℃/h的較快冷卻速率下，形成L12結構的Al3Er相，初生Al3Er相的輪廓平直，共晶組織呈不規則絮狀；在5 ℃/h較慢的冷卻速率下，形成hR20結構的Al3Er相，其輪廓為波浪狀，共晶組織近似條狀。