稀土元素對鋁合金性能的影響研究

車海亮

（山西呂梁學院,山西 呂梁 033000）

鋁合金的制造工藝日趨成熟，但在性能方面仍存在著提升空間，可以在其中加入稀土元素，從微觀角度改善鋁合金的性能，對其形成有效的作用機制，使鋁合金性能更加的穩定。稀土元素與鋁合金具有較強的相融性，能夠快速與鋁合金形成作用，參與鋁合金的組成體系，保障鋁合金能夠順利實現生產。

1 稀土對鋁合金作用機制分析

稀土元素與鋁合金具有良好的相融性，可以與鋁元素電子軌道進行耦合，提高鋁合金的穩定性。稀土元素的種類較多，如鑭（La）、鉺（Er）等，加入Al-Si系后可以進一步提高合金的耐腐蝕性，使其具有良好的化學性能。下面將對稀土元素對鋁合金作用機制進行分析。

1.1 變質作用

稀土元素具有變質作用，可以優化鋁合金的結晶狀況，使其內部構成更加的穩定。稀土元素可以對結晶狀況進行完善，通過變質作用對結晶形狀進行限制，有助于細小結晶的形成。相對地，對粗結晶進行限制，降低其形成數量，進而提高鋁合金的穩定性。稀土元素不溶于鋁基體且作用于晶界處，這樣便可以形成膜狀結構，對鋁合金形成全面的覆蓋，對結晶產生變質作用。具有變質作用的稀土元素主要為La、Er等，需要合理地進行使用，使變質作用發揮效果。

1.2 凈化作用

稀土元素具有凈化作用，可以降低鋁合金中雜質的含量，使其具有更高的純度，進而保障鋁合金的性能。凈化作用主要體現如下：一方面，可以降低冶煉時鋁液中H2、O2、N2等氣體的含量，與這些氣體發生化學反應，生成難溶于鋁液的物質，使氣體能夠從體系中消除。通過這種方式，可以防止鋁液中形成氣泡，避免鋁合金成型后產生空隙，提高鋁合金的鑄造質量。以稀土元素La為例，與H2反應后，可生成LaH2且不溶于鋁液，進而將H2與鋁液進行分離。另一方面，可以與低熔有害物質進行反應，既可以濾除鋁合金中的雜質，又能夠提高鋁合金的純度，保障凈化作用充分發揮效果。

1.3 強化作用

稀土元素具有強化作用，可以對晶體起到固化作用，提升鋁合金的強度。強化效果主要由稀土元素的含量決定，不同含量起到的強化效果是不同的。具體作用效果如下：若稀土元素含量不足0.1%，則稀土元素分布在晶界處，以促進細晶生成的形式實現強化效果。若稀土元素含量不小于0.1%，則會有晶粒生成，使鋁合金結構形成錯位作用，進而增強鋁合金的強度。

2 稀土元素對鋁合金性能影響分析

2.1 Ce對鋁合金性能的影響

在鋁合金中稀土元素有助于細化晶粒的形成，對其硬度、強度等性能進行完善。鋁合金晶粒結構對強度具有較大影響，通過晶粒的細化作用，可以提高鋁合金的抗變形能力，使其晶體結構更加的穩定。通過細小晶體可以降低晶界滑移現象發生，提高晶界結構的穩定性，使晶體具有良好的性能。Ce可作為晶粒細化劑使用，能夠對晶體的形狀進行調整，促進細小晶體的形成。Ce與Al具有晶體相似性，兩者可以進行反應生成Al2Ce，可以起到增強鋁合金強度的作用。在品格常數方面，Al2Ce與Al具有較高的相似性，說明Ce對鋁合金具有良好的結晶效果，形成的晶核不會對原有晶體造成影響，并且對合金結構性能進行提升。在晶體結構受力方面，Al2Ce具有在鋁合金中具有良好的分布特點，能夠形成錯落有致的結構，使晶界之間具有較高的抗滑阻力，防止晶界出現滑移現象。通過抗滑作用，可以降低晶粒的生長，使鋁合金能夠保持細小晶體狀態，進而保障鋁合金的強度。而且，少量的Ce可以增強Al-Ce的屈服強度，能夠形成穩定的鍵間結構，可以防止Al2Ce解析，提高鋁合金的抗拉能力，使其具有良好的延展效果。

2.2 Er對鋁合金性能的影響

稀土元素Er對鋁合金具有強化作用，能夠降低鋁合金的晶粒粒徑，提高鋁合金的結構穩定性。在Al-Si體系中加入Er后，可以形成良好的共格關系，形成化合物Al3Er，有助于α-Al枝晶結構的形成，使鋁合金性能得以提高。Er的含量對鋁合金枝晶的形成具有一定的影響，通常情況下，當Er的含量在0.6%時，能夠有效地促進枝晶的形成，同時，將晶體距離控制在較小范圍內。通過這種方式，可以對晶粒孔徑進行限制，使其呈現為細小晶體狀態，可以明顯提高鋁合金的硬度。若鋁合金晶體含有樹突狀結構，可以加入Er來降低晶體的大小，抑制樹突狀結構的生成，保障細化晶粒能夠順利地形成。Al3Er形成的結構為立方晶系，且具有較高的熔點，有助于鋁合金強度的提升。需要注意的是，在鋁合金中Er的含量并不是越高越好，若Er含量超過0.6%，鋁合金將會出現不規則結構，對晶體的穩定性造成影響，甚至導致晶體間容易出現斷裂，引起鋁合金的抗拉強度下降，因而需要將Er含量限制在0.6%以內，保證Er具有良好的性能。

2.3 La對鋁合金性能的影響

稀土元素La具有較低的熔點，可以改善鋁合金的凝固狀況，使其具有良好的微觀組織結構。在Al-Si合金體系加入La后，可以提高合金的可塑性，使其更加易于成型，使鋁合金加工過程更加的順利。在La作用下，可以縮短α-Al枝晶間距，使晶體結構更加的穩定。通過加入La可以促進共晶硅粒子的形成，能夠有效地抑制晶體錯位現象，使晶體呈現規則的排布，使晶體結構能夠得到細化。稀土元素La是促進晶核形成的關鍵，對晶體的大小進行調節，保障晶體的細化程度。La與Al反應能夠形成Al4La，主要發生在合金成型過程中，通過熔點的抑制作用，防止合金成型過程中發生斷裂，提高鋁合金制造的成功率。在La的用量方面，將其控制在0.2%較為適宜，可以對晶體起到良好的細化作用，提高鋁合金的力學性能。

2.4 Y對鋁合金性能的影響

稀土元素Y可以提高鋁合金的性能，使鋁合金具有良好的結構特性。Y元素與Al元素的結合形式眾多，可以形成化合物AlY、AlY3、Al2Y3等。不同的Al-Y結合方式需要的結合能不同，通常情況下，結合能越大，Al-Y化合物的性質也就越穩定。AlY、AlY3、Al2Y3對應的結合能分別為-545ev、-788ev、-640ev，由此可見，AlY3的結合能最大，具有穩定的鍵間結構。從熱力學角度分析，在鋁合金中AlY3最有可能形成，并且可以提高鋁合金的穩定性。因此，以AlY3構成鋁合金結構具有穩定的性能，需要對結合能進行控制，促進AlY3的形成，使鋁合金的穩定性得以保障。此外，Y會對鋁合金晶粒細化程度造成影響，以6201鋁合金為例，加入Y元素后，晶粒直徑由197μm降低至66μm，晶體減少約2/3，因此，稀土元素Y具有良好的晶體細化效果。Y還會影響鋁合金的力學性質，通過拉伸試驗可以看出，加入Y的鋁合金具有良好的斷口形態，使晶界具有排布更加的緊密，進而提高鋁合金的力學性能。

2.5 Yb對鋁合金性能的影響

稀土元素Yb對鋁合金性能具有一定的影響，能夠對其組織結構進行完善，具體影響內容如下：（1）當Yb含量為0.2%時，可以使晶界具有穩定的狀態，避免晶界出現非連續分布的現象。同時，可以增加鋁合金的抗腐蝕能力，使其對外界環境具有良好的適應性。（2）可以提高鋁合金的抗拉強度。以2519A鋁合金為例，可以將抗拉強度由483.4MPa提升至509.3MPa，抗拉強度提高了5.4%，在一定程度上提高了鋁合金的力學性質。（3）不同含量對抗腐蝕性影響不同。當Yb含量由0.2%增加至0.4%時，抗腐蝕能力反而出現下降現象，說明需要對Yb的含量進行限制，以此來保障鋁合金的抗腐蝕性性能。（4）Yb與H具有較強的結合能力，能夠減少鋁液中H2的含量，防止鋁合金中出現氣泡，使鋁合金具有良好的密度和硬度。

2.6 Sm對鋁合金性能的影響

稀土元素Sm對鋁合金具有變質作用，能夠影響鋁合金的組織結構，使鋁合金具有良好的晶體間距。在Al-Si合金體系中，Sm對共晶硅相具有一定的影響，可以使其呈現棒狀結構，使晶體結構能夠得到細化，進而對晶體大小進行調整，提高鋁合金結構的穩定性。Sm元素可對晶體間距進行控制，使間距由51μm下降至15μm，下降幅度為70.6%，使晶體能夠緊密地接觸，進而保障鋁合金的密度。在晶體大小方面，由直徑90μm下降至40μm，下降幅度為55.6%，可以將晶體大小縮短至一半以上。由此可見，Sm元素可以作為變質劑進行使用，且對晶體大小、間距等具有較強的調節作用，可以促進鋁合金發生變質作用，提高晶體調節的效率，保障晶體具有良好的細化效果。

3 結語

綜上所述，稀土元素可以提高鋁合金的性能，從微觀角度對鋁合金形成進行完善，保障鋁合金內部結構的穩定性。鋁合金用途較為廣泛，需要以穩定的性能作為基礎，使鋁合金制造工藝能夠得到提升。為此，需要積極投入新型鋁合金的研究，使鋁合金應用范圍更加的廣泛。