钇对2519铝合金铸态组织的影响

李慧中,张新明,陈明安,周卓平

(中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙,410083)

摘要: 采用X射线、光学显微镜及扫描电镜等研究质量分数为0~0.3%的钇对2519铝合金铸态组织的影响。研究结果表明:添加0.1%的钇后2519铝合金的铸态组织明显细化,铸态晶粒尺寸由100μm减少到70μm;但当钇含量超过0.1%时,合金的铸态组织随着钇含量的增加又逐渐粗化;当钇含量为0.3%时,合金铸态晶粒尺寸达200μm左右;钇加入2519铝合金中主要形成Al₆Cu₆Y稀土化合物并沿晶界分布;钇改变了合金铸态中第二相的形貌及大小,加入适量的钇(0.1%)对2519铝合金铸态中的第二相具有球化和细化作用。
关键词: 稀土; 钇; 2519铝合金; 铸态组织
中图分类号:TG292 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)04-0545-05

Effect of yttrium on as-cast microstructure of 2519 aluminum alloy

LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, ZHOU Zhuo-ping
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The effects of yttrium (0-0.3%,mass fraction) on as-cast microstructure of 2519 aluminum alloys were investigated by means of X-ray diffraction, optical microscope and scanning electron microscope. The experimental results show that the as-cast microstructure of 2519 aluminum alloy is fined and the grain size is reduced from 100μm to 70μm with addition of 0.1% yttrium. When more than 0.1% yttrium is added to 2519 aluminum alloy, the as-cast microstructure of the alloy is coarsed gradually with the increase of the yttrium content. The grain size of the as-cast alloy is about 200μm with the addition of 0.3% yttrium. The Al₆Cu₆Y phase is formed at the grain boundary of as-cast and the second phase is granulated, sphercized and fined with the addition of yttrium.
Key words: rare earth; yttrium; 2519 aluminum alloy; as-cast microstructure 
 
   2519铝合金是一种新型装甲铝合金,其力学性能优良,并有良好的抗应力腐蚀性能和焊接性能^[1-7]。在铝及锌合金中添加适量的稀土可提高合金力学、物理及工艺性能,表现为合金熔体净化、合金强化、耐腐蚀性能提高和组织细化^[8-13]。研究结果表明^[14]:在Al-4.5%Cu合金中添加 Ce使合金熔化潜热增加,凝固区域缩小,Cu的分配系数减小,引起界面前沿边界层中溶质Ce和Cu的浓度梯度增大,导致合金成分过冷和不稳定扰动增加,促使平面—胞晶—枝晶凝固方式转变提前,二次枝晶晶距缩小。王建华等^[15]通过研究发现微量Y对2618铝合金的铸态组织及Al₉FeNi相形态没有影响,但可提高合金在250 ℃经100 h高温热暴露后的高温瞬时强度。曾令民等^[16]则认为Y在Al-Cu-Mg合金中减小Cu和Mg元素在铝中的溶解度,并形成[CM(22] YCu₄Al₈化合物。将Y加入2024合金中可显著减小二次枝晶间距和共晶化合物的厚度,并抑制粗大共晶的形成,不形成粗大块状化合物^[17]。研究结果表明:Y的加入能改变Al-Zn-Mg合金中Zn和Mg的分布^[18]。目前,人们对微量的Y在2519铝合金铸态组织中的作用、分布及存在形式研究较少,在此,作者对其进行研究。
 

1 实验材料及方法

采用Al-Cu,Al-Mn,Al-Y,Al-Ti-B和Al-Zr中间合金以及工业纯Al和纯Mg配制合金,用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼,熔炼温度为780 ℃,用 KCl+NaCl精炼、用C₆Cl₆除气, 精炼后,于730 ℃将合金液浇入预热过的铁模中,浇铸成长×宽×高为100 mm×100 mm×25 mm的合金铸锭,实验合金的成分如表1所示。合金铸态组织在POLYVAR-MET金相显微镜下观察,用X-650型扫描电镜对合金铸态组织第二相的形貌及分布进行分析,用D-500X衍射仪对铸态合金的相组成进行分析。

表 1   实验合金的化学成分
Table 1   Chemical compositions of experimental materials

2 实验结果
2.1 钇对2519铝合金铸态组织的影响

Y加入合金后对合金铸态组织的影响见图1和图2。

由图1可见,添加微量的Y(0.1%)后合金的晶粒尺寸减小,由约100 μm减少到约70 μm,此后,随着Y含量的增加,合金的铸态晶粒尺寸逐渐增大,当Y含量为0.3%时,合金铸态晶粒尺寸最大超过200 μm。由合金铸态样的SEM分析可见,未加Y合金中存在粗大的第二相,主要以长条状或鱼骨状分布在晶界上(见图2(a)),而加Y之后,第二相的形貌及分布发生变化,除仍然有长条状或鱼骨状分布之外,部分含Y的第二相出现球化和细化的特征。随着Y含量的增加,沿晶界网状分布的第二相变得越来越不连续,晶内球状的第二相粒子增多。此外,在Y含量为0.3%的合金中发现粗大的块状化合物,见图2(d)中的A。经能谱分析,该块状化合物是由Al,Cu和Y等元素组成的化合物,其原子数分数之比约为6∶6∶1,由此推断该化合物可能是Al₆Cu₆Y。
2.2 钇在2519铝合金的存在形式及分布

对合金铸态样进行X射线衍射分析,结果如图3所示。可见,未含Y的合金主要由α(Al)相和CuAl₂相组成,而含0.3%Y的合金除存在α(Al)相和CuAl₂相外,还出现了新的Al₆Cu₆Y相。

图4所示为含0.3%Y合金铸态试样中Y与Cu的线分布结果。可见,Y与Cu元素主要分布于晶界上,形成由Al,Cu和Y元素所组成的化合物。

图 1   合金铸态组织
Fig. 1   Optical micrographs of as-cast microstructures

图 2   铸态合金的SEM显微组织
Fig. 2   SEM images of as-cast microstructures alloys

图 3   铸态样X射线衍射图谱
Fig. 3   XRD patterns of as-cast alloys

图 4   铸态合金中 Y和Cu元素线扫描
Fig. 4   Line scanning of Y and Cu in as-cast alloy

3 实验结果分析

从以上实验结果可知,在2519合金铸态组织中Y主要分布在晶界上,而晶内溶解量很少。这是因为Y的原子半径(0.177 nm)比Al原子半径(0.143 nm)大,若进入晶格内势必引起较大的晶格畸变,使系统的能量增加,而晶界原子排列较松散,稀土化合物在晶界上聚集引起的畸变能要比在基体中析出产生的畸变能小得多。为了使系统的自由能降低,Y原子只能向原子排列不规则的晶界富集,因而沿晶间或枝晶间分布。Y在铝中的最大固溶度为0.04%^[19],在α(Al)结晶时,由于溶质再分配,进入固相中的Y含量很小,而大量聚集在固—液界面前沿,使合金在凝固过程中的成分过冷增大,在分支交接处产生缩颈、熔断,出现第二相球化和细化的特征,同时增加了α(Al)相结晶晶核,细化了合金的晶粒,这是添加0.1%Y能使2519铝合金铸态组织细化的原因之一。此外,稀土Y是表面活性元素物质,使合金液的界面张力降低,晶粒的形核功下降,临界晶核半径减小,生核容易,晶核细化,铸态组织细化。因此,向2519铝中添加Y,当加入量较少时(〈0.1%)能细化合金的组织,抑制粗大共晶组织的形成。当2519铝合金Y含量超过0.1%后,合金的组织随Y含量的增加而逐渐粗化,这与2519铝合金中有细化晶粒作用的Ti和Zr等活性元素同稀土Y相互作用有关。肖亚庆等^[19]认为,在Al-Ti作细化剂的合金中加入稀土,由于稀土与Ti发生作用,从而降低了作为形核元素Ti的有效浓度,稀土本身细化晶粒的作用被抑制,因而稀土愈多,晶粒反而愈大。此外,若稀土Y含量过大,由于合金中首先形成大量的稀土化合物,减弱了稀土成分过冷的作用,从而造成合金组织粗化。

4 结 论

a. Y在2519铝合金铸态组织中主要分布在晶界上并与Al和Cu形成新的Al₆Cu₆Y相。

b. 加入适量Y(0.1%)可细化2519铝合金的铸态组织,但Y过量时(>0.1%)反而使合金铸态组织粗化,并形成块状化合物, Y的含量不宜高于0.1%。

c. 在2519铝合金中, Y促使原来长条状或鱼骨状的第二相细化和球化。

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收稿日期:2004 -11 -16

基金项目:国家“973”重点基础研究发展规划项目(G1999064908)

作者简介:李慧中(1968-),男,湖南衡阳人,讲师,博士研究生,从事高强铝合金的研究

论文联系人: 李慧中,男,讲师, 博士研究生;电话:13574866388(手机); E-mail: LHZ606@mail.csu.edu.cn