Er和Ce对铸造ZL101A铝合金组织与力学性能的作用对比研究

闫 洪

（1.昆明冶金研究院有限公司，昆明 650031；2.中铝集团中央研究院昆明分院，昆明 650031）

0 前言

铝合金的晶粒细化处理是工业生产中重要的工艺方法。细小均匀的晶粒组织能提高铝合金的力学性能和增强组织致密性，在铝合金中加入稀土元素已成为晶粒细化的有效方法。Ce 是铝合金常用的稀土元素，但Ce 化合物存在聚集和长大的问题，其细化作用有限；而稀土Er 不仅能提高铝合金的强度，而且能较大程度地改善铝合金的塑性。目前，国内已分别研究了Ce 和Er 对铝合金的细化作用[1-2]，但二者对ZL101A 铝合金的组织和性能的对比研究极为少见，尤其是Er 和Ce 在铝合金中产生稀土化合物的差别还未见报道。由于稀土有各自的优点和不足，采用合适的稀土元素至关重要，对此，本文以ZL101A 铝合金为基体合金，研究了稀土Er 和Ce 的影响，并对二者的作用进行对比和分析探讨，为进一步优化合金性能提供参考。

1 试验方法

1.1 试样的制备

试验采用ZL101A 合金，其化学成分见表1。在电阻炉中分别加入Al-5.82%Er 和Al-10.68%Ce中间合金进行熔炼。在添加0.1%Ce 后，ZL101A（Ce）铝合金的抗拉强度和延伸率分别为144 MPa和3.3%，与有关资料显示的Ce添加量为0.1%时铝合金性能较好的结论相一致[3]。为便于进行稀土Ce和Er 的作用比较，实验配制了稀土添加量为0.1%Er 的ZL101A（Er）铝合金，并和含有0.1% Ce 的ZL101A（Ce）铝合金进行对比实验。变质温度为750 ℃，变质时间为30 min，熔体降到610 ℃时浇铸到预热200 ℃的模具中。

表1 ZL101A铝合金化学成分（质量分数%）

1.2 力学性能测试和显微组织观察

试样加工成直径为10 mm的拉伸试样，标距长50 mm。采用CMT5105型电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度是6 mm/min。采用Axio Imager A2m型研究级智能数字材料显微镜进行试样的金相组织分析，样品在0.5%HF 水溶液中腐蚀8 s。采用Quanta 600型扫描电子显微镜进行SEM观察，借助能谱分析仪对稀土化合物进行分析。采用EMPYREAN型X射线衍射仪分析合金的物相组成。

2 试验结果和分析

2.1 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）铝合金的稀土化合物分析

图1 分别为ZL101A（Ce）铝合金、ZL101A（Er）铝合金的显微组织。由图1（a）可知，在添加稀土Ce 后，ZL101A（Ce）合金组织中有聚集的块状稀土化合物相析出，此稀土化合物较为粗大，在显微镜中能够看到。块状稀土化合物相的存在，造成了合金比重和成分的偏析，降低合金强度。但经过稀土Er 处理后，没有观察到稀土化合物相的析出，见图1（b）。说明ZL101A（Er）合金的显微组织中的稀土化合物相较为细小，在显微镜下无法看到，稀土Er 阻止了粗大块状稀土化合物的析出，对改善合金性能有利。

图1 不同铝合金的显微组织

本试验使用扫描电镜/能谱仪对ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）铝合金进行分析，结果见图2。如图2（a）所示，ZL101A（Ce）铝合金中存在块状稀土化合物，经过能谱分析，此块状稀土化合物含：Ce12.65%，Al74.02%，Si2.74%，Ti9.58%，稀土化合物相为CeAlSiTi。而在ZL101A（Er）铝合金中，稀土化合物相比较细小，为针状和颗粒状，如图2 （b） 所示，其主要成分为：Er13.93%，Al64.57%，Si12.72%，Mg5.71%，Fe1.96%，稀土化合物相为ErAlSiMgFe。相对于ZL101A（Ce）铝合金来说，ZL101A（Er）铝合金的稀土化合物相尺寸要小得多，分布也较为均匀，这对合金的组织有明显的细化效果。主要是Er 与合金元素形成了稀土化合物相ErAlSiMgFe。在合金凝固时，该相首先结晶析出，随着温度的降低，这些细小弥散分布的ErAlSiMgFe 作为非均质核心而使α-Al 晶粒得到细化。同时，稀土聚集在共晶硅前沿，阻止其进一步长大。由于基体组织的细化，使得ErAlSiMgFe分布更加弥散。这种细小的稀土化合物分散分布，起到了弥散强化的作用，增强了合金的力学性能。

图2 不同铝合金的扫描电镜形貌

2.2 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）铝合金的显微组织比较

ZL101A（Ce）铝合金的显微组织照片如图3（a）所示。从图中可以看出，α-Al枝晶形态仍存在粗大的树枝晶，分布也不均匀，其平均α-Al 枝晶长度为78.6 μm。图3（b）是ZL101A（Er）合金显微组织照片。可以看出，加入稀土Er 后，α-Al 枝晶的细化效果明显，平均枝晶长度降为62.3 μm，组织分布较为均匀，ZL101A（Er）合金组织中的α-Al相为细小的等轴晶组织，几乎不存在树枝晶组织。因此，与Ce 元素相比，稀土元素Er 对合金细化后，α-Al 晶粒尺寸较小，晶粒的细化效果和分布均匀性较好。

图3 不同铝合金显微组织的α相形貌

图4 为不同铝合金显微组织中的共晶硅形貌。由图4（a）可以看出，当添加稀土Ce时，ZL101A（Ce）合金中的共晶硅是板条状和针状。添加Er的ZL101A（Er）铝合金，其共晶硅形貌得到不同程度的改善，逐步转变为短杆状和粒状，如图4（b）所示。

图4 不同铝合金显微组织中的共晶硅形貌

2.3 ZL101A（Ce）和ZL101A（Er）铝合金的力学性能

添加稀土Er和Ce的ZL101A铝合金的力学性能见表2。从表2可以看出，ZL101A（Ce）铝合金的抗拉强度为144 MPa，伸长率为3.3%。当Er添加到铝合金中时，ZL101A（Er）的抗拉强度达到188 MPa，伸长率是6.7%，分别提高了30.55%和103.03%。可见，Er 不仅使铝合金得到强化，而且还大幅度提高了铝合金的伸长率。这是因为Er 在铝合金中形成了细小的稀土化合物相，对铝合金起到弥散强化的作用，阻止了大块状稀土化合物的析出。另外，稀土Er 使α-Al 相得到有效细化，粗大的共晶硅转变为细小的短杆状和粒状，增加了合金的强度。综上所述，稀土Er 能起到细化晶粒的作用，以弥散强化的方式改善铝合金的性能[4]，比稀土Ce 具有更强的作用效果。稀土Er 能显著改善合金组织，细化晶粒，使合金的硬度得到提高[5]。

表2 添加稀土Er和Ce的ZL101A铝合金的力学性能

3 结论

（1）添加稀土元素Er后，ZL101A铝合金组织中的α-Al 相形貌为较小的等轴晶，且分布较为均匀；而在添加稀土元素Ce 的铝合金中，α-Al 相存在较粗大的树枝状枝晶，组织也不均匀。在共晶硅方面，Er 可取得比Ce 更好的变质效果。可见，Er的细化效果优于Ce。

（2）与ZL101A（Ce）铝合金中的稀土化合物CeAlSiTi相比，ZL101A（Er）铝合金中的稀土化合物ErAlSiMgFe相细小，而CeAlSiTi相以较粗大块状的形式析出，说明稀土Er 对铝合金的稀土化合物的生长起到抑制作用，其稀土化合物相弥散分布。

（3）ZL101A （Ce） 合金的抗拉强度仅为144 MPa， 伸长率只有3.3%；而ZL101A（Er）合金的抗拉强度达到188 MPa，伸长率是6.7%。因此，稀土Er 的强韧化效果明显高于Ce，尤其在伸长率方面提高较大。