论文部分内容阅读
摘 要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，稀土元素因为其有效、稳定的变质作用，被广泛应用于多种金属材料中。变质处理可以细化合金组织，从而提高合金的力学性能，不同的稀土元素对铝合金的变质效果不同。重点介绍了几种常用稀土元素对铝合金显微组织、力学性能的影响及其变质机理，综述了现阶段国内外稀土铝合金的研究现状，并阐述目前存在的问题，以及对未来研究进行了展望。
关键词：稀土元素;铝合金;显微组织;力学性能
引言
铝合金具有自身质量小、耐腐蚀性好、优良的导热性、导电性等优点，广泛应用于航天、汽车、电器、船舶、建筑、交通等工业部门，特别是近年来，我国航空航天、汽车、高铁列车行业的快速发展，轻量化、大型化以及结构复杂的高质量产品需求量越来越大，铝合金的需求也逐年增加。因此，与之相关的铝合金制造工艺的研究也引起了国内外学者的关注。作为铝合金产品制造的重要手段之一的铝合金焊接的研究也成为了相关领域的研究热点。目前国内外对铝合金的焊接方法研究比较多，主要集中在搅拌摩擦焊、激光焊、超声波焊、真空电子束焊和TIG焊等焊接方法。然而实际上有某些铝合金零件的形状比较复杂，所以应用以上的方法都有各自的局限性，采用熔焊方法焊接铝合金容易产生裂纹、气孔、变形等缺陷，采用搅拌摩擦焊受限于焊接接头形式，而且在焊缝末尾有匙孔存在，因此近些年来大大增加了对铝合金钎焊的研究。铝及铝合金的钎焊方法有很多种，其中包括火焰钎焊、炉中钎焊、空气炉中钎焊、盐浴钎焊和真空钎焊等。空气炉中钎焊因其具有设备投资小、焊接工艺性良好、操作简单等特点被广泛应用。铝合金钎焊所使用的钎料主要以Al-Si合金为主，有时也添加Cu，Zn，稀土等元素来满足工艺性能的要求。稀土元素因为其独特的性质被誉为金属材料的维他命，因具有改善钎料润湿性、晶粒细化、改变组织分布状态、提高钎焊接头力学性能和耐腐蚀性能等优点，所以在钎料改性中的应用越来越广。在无铅钎料中通过添加稀土元素能够不同程度地提高钎料的性能，因此对于在铝合金钎焊钎料中添加稀土元素的研究是非常具有意义的。
1稀土对铝合金性能的影响
1.1稀土对铝合金力学性能的影响
稀土采用价格相对便宜的镧铈合金，混合稀土中镨钕含量与镧铈金属含量比例分别大致为20%和80%左右。由于镨钕大量应用于磁性材料中，造成分离后的镧铈合金大量过剩，从近几年的价格趋势判断，价格维持在3万RMB/吨左右，价格比铜还低，因此添加适量的镧铈金属不会对铝合金的成本造成压力。实验表明，添加适量镧铈金属使铝合金的硬度、强度、伸长率等力学性能有所提高。
1.2Y对铝合金组织和性能的影响
向铝合金中添加一定量的Y，对合金显微组织有明显的细化效果。将Al-10Y中间合金加入到6063铝合金中，晶粒细化明显。未添加Y的合金组织主要为粗大的、分布不均匀的柱状晶。添加Y后，组织得到了细化，分布也变得均匀。向6063铝合金中添加Y，发现Y十分活泼，能与合金中的Si相结合，从而降低了AlFeSi相中的Si含量，改善了AlFeSi相的形貌。当Y的添加量为0.1%～0.3%时，随着Y的添加量增加，6063铝合金的力学性能逐渐改善。当Y的添加量为0.3%时，合金的抗拉强度和伸长率分别达到154MPa和22.5%。
1.3稀土对铝合金延展性的影响
铸造铝合金一般添加一定比例的硅，但硅的塑性相对较差，故此压铸常用铝合金ADC12的延伸率只有3.5%，而含硅量低的6063铝合金的延伸率则达到12%。王经涛等研究了稀土对合金超塑性的影响，不同合金有不同的稀土最佳添加量。
1.4Er对铝合金组织和性能的影响
近年来，有研究表明，稀土Er对共晶Al-Si合金或过共晶Al-Si合金中Si相的形貌和尺寸有良好的变质效果。向A356合金中添加Er，当Er含量为0.3%时，α-Al晶粒的细化效果最好，对Si相的改性效果最好，将层片状的Si相变为颗粒状和短棒状。当Er含量为0.4%时，合金发生了过变质，α-Al晶粒又变得粗大。研究表明，当Er的添加量为0.5%时，Al-20Si合金中的初生Si相从粗多角形、血小板状和星形明显变为细小的块状;共晶Si相形貌发生了变化，从粗血小板状、针状结构变为细珊瑚状纤维结构。Er对铝合金的细化机理与La相似，因为在α-Al晶粒形核和长大的过程中，Si和稀土原子大部分无法进入晶粒，主要富集在固-液界面前沿，所以导致成分过冷，阻碍初生α-Al的生长;Er与熔体中某些元素，生成一些特殊的化合物，提供非均质形核的核心。对比Er和La对A356合金的变质后的性能，发现Er对于亚共晶铝合金的性能提升高于La，但La在提升铝合金的导电性和耐腐蚀性方面强于Er。
1.5合金导电性能
随着混合稀土元素含量增加，铝合金的电导率出现先增加后减少的现象，当混合稀土添加的质量分数为0.2%时，电导率最高，为62.31%IACS。金属导电理论认为，完整金属晶体中由于原子不同引起的晶格畸变、晶界缺陷等越少，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态的。在铝合金中加入混合稀土La、Ce能减少铝液中的氢含量，净化铝基体，细化晶粒，还能够降低杂质元素Fe、Si等在基体中的固溶度，提高合金的导电性。另外，混合稀土元素加入到铝合金中会在晶界形成稀土化合物，增加了电子通过的难度，降低合金导电率。混合稀土含量的增加还会导致部分稀土固溶于铝合金晶体中，因而降低导电率。
2稀土铝合金存在的问题及展望
我国已成为全球最大的铝合金制造国，铝合金的使用量也在逐年攀升，对力学性能等方面的要求也在不断提高。向铝合金中添加稀土元素可使晶粒细化，从而达到提升铝合金力学性能的目的。但是由于稀土元素种类繁多，且关于稀土元素对合金的作用机理的了解还不够透彻，限制了稀土元素在铝合金中的应用。为了进一步研究稀土元素在铝合金中的应用，可以从以下3个方面开展深入研究。（1）合理地使用已知的变质稀土元素，并深入考虑采用两种或两种以上稀土元素对铝合金进行复合变质处理。（2）针对部分稀土元素的变质效果不理想的状况，可以采用稀土元素与物理场复合处理的方法进一步改善合金组织和力学性能。（3）提高合金的力学性能不能局限于常温力学性能，对材料在高温条件下的性能有待进一步开展研究。
3结语
在铝合金中添加稀土有利于细化晶粒、净化成分、改善光泽和减少气孔等作用，应用廉价的镧铈金属依然能起到以上效果。作为稀土产量大国，稀土在我国铝合金发展上等将有广大的應用空间。
参考文献：
[1]樊刚，等.稀土金属在铸造铝合金中的应用[J]，昆明理工大学学报，2002年4月第2期13-16.
[2]曹大力，等.稀土在铝及铝合金中的作用[J]，稀土，2006年10月第10期88-93.
[3]兰晔峰，等.稀土对Al-Ti-B-RE中间合金细化性能的影响[J].铸造技术，2005，26（9）：774-775.
关键词：稀土元素;铝合金;显微组织;力学性能
引言
铝合金具有自身质量小、耐腐蚀性好、优良的导热性、导电性等优点，广泛应用于航天、汽车、电器、船舶、建筑、交通等工业部门，特别是近年来，我国航空航天、汽车、高铁列车行业的快速发展，轻量化、大型化以及结构复杂的高质量产品需求量越来越大，铝合金的需求也逐年增加。因此，与之相关的铝合金制造工艺的研究也引起了国内外学者的关注。作为铝合金产品制造的重要手段之一的铝合金焊接的研究也成为了相关领域的研究热点。目前国内外对铝合金的焊接方法研究比较多，主要集中在搅拌摩擦焊、激光焊、超声波焊、真空电子束焊和TIG焊等焊接方法。然而实际上有某些铝合金零件的形状比较复杂，所以应用以上的方法都有各自的局限性，采用熔焊方法焊接铝合金容易产生裂纹、气孔、变形等缺陷，采用搅拌摩擦焊受限于焊接接头形式，而且在焊缝末尾有匙孔存在，因此近些年来大大增加了对铝合金钎焊的研究。铝及铝合金的钎焊方法有很多种，其中包括火焰钎焊、炉中钎焊、空气炉中钎焊、盐浴钎焊和真空钎焊等。空气炉中钎焊因其具有设备投资小、焊接工艺性良好、操作简单等特点被广泛应用。铝合金钎焊所使用的钎料主要以Al-Si合金为主，有时也添加Cu，Zn，稀土等元素来满足工艺性能的要求。稀土元素因为其独特的性质被誉为金属材料的维他命，因具有改善钎料润湿性、晶粒细化、改变组织分布状态、提高钎焊接头力学性能和耐腐蚀性能等优点，所以在钎料改性中的应用越来越广。在无铅钎料中通过添加稀土元素能够不同程度地提高钎料的性能，因此对于在铝合金钎焊钎料中添加稀土元素的研究是非常具有意义的。
1稀土对铝合金性能的影响
1.1稀土对铝合金力学性能的影响
稀土采用价格相对便宜的镧铈合金，混合稀土中镨钕含量与镧铈金属含量比例分别大致为20%和80%左右。由于镨钕大量应用于磁性材料中，造成分离后的镧铈合金大量过剩，从近几年的价格趋势判断，价格维持在3万RMB/吨左右，价格比铜还低，因此添加适量的镧铈金属不会对铝合金的成本造成压力。实验表明，添加适量镧铈金属使铝合金的硬度、强度、伸长率等力学性能有所提高。
1.2Y对铝合金组织和性能的影响
向铝合金中添加一定量的Y，对合金显微组织有明显的细化效果。将Al-10Y中间合金加入到6063铝合金中，晶粒细化明显。未添加Y的合金组织主要为粗大的、分布不均匀的柱状晶。添加Y后，组织得到了细化，分布也变得均匀。向6063铝合金中添加Y，发现Y十分活泼，能与合金中的Si相结合，从而降低了AlFeSi相中的Si含量，改善了AlFeSi相的形貌。当Y的添加量为0.1%～0.3%时，随着Y的添加量增加，6063铝合金的力学性能逐渐改善。当Y的添加量为0.3%时，合金的抗拉强度和伸长率分别达到154MPa和22.5%。
1.3稀土对铝合金延展性的影响
铸造铝合金一般添加一定比例的硅，但硅的塑性相对较差，故此压铸常用铝合金ADC12的延伸率只有3.5%，而含硅量低的6063铝合金的延伸率则达到12%。王经涛等研究了稀土对合金超塑性的影响，不同合金有不同的稀土最佳添加量。
1.4Er对铝合金组织和性能的影响
近年来，有研究表明，稀土Er对共晶Al-Si合金或过共晶Al-Si合金中Si相的形貌和尺寸有良好的变质效果。向A356合金中添加Er，当Er含量为0.3%时，α-Al晶粒的细化效果最好，对Si相的改性效果最好，将层片状的Si相变为颗粒状和短棒状。当Er含量为0.4%时，合金发生了过变质，α-Al晶粒又变得粗大。研究表明，当Er的添加量为0.5%时，Al-20Si合金中的初生Si相从粗多角形、血小板状和星形明显变为细小的块状;共晶Si相形貌发生了变化，从粗血小板状、针状结构变为细珊瑚状纤维结构。Er对铝合金的细化机理与La相似，因为在α-Al晶粒形核和长大的过程中，Si和稀土原子大部分无法进入晶粒，主要富集在固-液界面前沿，所以导致成分过冷，阻碍初生α-Al的生长;Er与熔体中某些元素，生成一些特殊的化合物，提供非均质形核的核心。对比Er和La对A356合金的变质后的性能，发现Er对于亚共晶铝合金的性能提升高于La，但La在提升铝合金的导电性和耐腐蚀性方面强于Er。
1.5合金导电性能
随着混合稀土元素含量增加，铝合金的电导率出现先增加后减少的现象，当混合稀土添加的质量分数为0.2%时，电导率最高，为62.31%IACS。金属导电理论认为，完整金属晶体中由于原子不同引起的晶格畸变、晶界缺陷等越少，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态的。在铝合金中加入混合稀土La、Ce能减少铝液中的氢含量，净化铝基体，细化晶粒，还能够降低杂质元素Fe、Si等在基体中的固溶度，提高合金的导电性。另外，混合稀土元素加入到铝合金中会在晶界形成稀土化合物，增加了电子通过的难度，降低合金导电率。混合稀土含量的增加还会导致部分稀土固溶于铝合金晶体中，因而降低导电率。
2稀土铝合金存在的问题及展望
我国已成为全球最大的铝合金制造国，铝合金的使用量也在逐年攀升，对力学性能等方面的要求也在不断提高。向铝合金中添加稀土元素可使晶粒细化，从而达到提升铝合金力学性能的目的。但是由于稀土元素种类繁多，且关于稀土元素对合金的作用机理的了解还不够透彻，限制了稀土元素在铝合金中的应用。为了进一步研究稀土元素在铝合金中的应用，可以从以下3个方面开展深入研究。（1）合理地使用已知的变质稀土元素，并深入考虑采用两种或两种以上稀土元素对铝合金进行复合变质处理。（2）针对部分稀土元素的变质效果不理想的状况，可以采用稀土元素与物理场复合处理的方法进一步改善合金组织和力学性能。（3）提高合金的力学性能不能局限于常温力学性能，对材料在高温条件下的性能有待进一步开展研究。
3结语
在铝合金中添加稀土有利于细化晶粒、净化成分、改善光泽和减少气孔等作用，应用廉价的镧铈金属依然能起到以上效果。作为稀土产量大国，稀土在我国铝合金发展上等将有广大的應用空间。
参考文献：
[1]樊刚，等.稀土金属在铸造铝合金中的应用[J]，昆明理工大学学报，2002年4月第2期13-16.
[2]曹大力，等.稀土在铝及铝合金中的作用[J]，稀土，2006年10月第10期88-93.
[3]兰晔峰，等.稀土对Al-Ti-B-RE中间合金细化性能的影响[J].铸造技术，2005，26（9）：774-775.