稀土元素La对2024铝合金组织与性能的影响

王世钧 1 陈林 2 戴宇恒 2 周宜阳 3 焦小勇 4 李晓伟 4 郑丽 4

内蒙古科技大学 鄂尔多斯市特种设备检验所 内蒙古 包头 014010

内蒙古科技大学 内蒙古 包头 014010

包头钢铁职业技术学院 内蒙古 包头 014010

鄂尔多斯市特种设备检验所 内蒙古 包头 014010

摘 要：采用添加Al-La合金制备了La含量为0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%和0.8wt.%的四种2024铝合金，采用金相显微镜对合金的微观组织进行观察，采用显微维氏硬度计和万能试验机对合金的硬度和室温力学性能进行了测定，采用电化学工作站对合金的耐腐蚀性能进行了评价。结果表明：添加稀土元素La能有效细化2024铝合金的显微组织、提升显微硬、室温抗拉强度和耐腐蚀性能，La含量为0.6wt.%的合金具有

优良的综合性能。

关键词：2024铝合金；稀土镧；晶粒细化；

引 言¹

2024系列铝合金由于其强度高（抗拉强度σb≥390MPa）、低重量比、耐热性好等优点，主要用作飞机上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼梁、铆钉等航天器上要求承受高循环载荷的结构件，经过多年发展已经成为航空工业中使用最为广泛的硬质铝合金材料之一。因此，2024系列铝合金在高强度、轻质材料领域的地位尤其显著^[1～5]。

2024合金板材不易阳极化，难以在外层形成致密的阳极化膜，因此要外层包铝应用，包铝层因钝化获得良好的抗蚀性能，而内里2024合金提供了足够高的强度，因此它在航空航天方面有着比其他硬铝型合金板材更为广泛的应用。此外，2024合金热强性最好，这对于在高温下服役的材料非常重要。2024耐蚀性一般，可以通过添加稀土元素细化晶粒，提高力学性能及耐蚀性。

有研究向ZAl205A添加La_xO_y和Pr_xO_y，利用正交试验，优化添加量，可将ZAl205A的抗拉强度提高至580MPa，而且延伸率还保持在10%以上。通过深入分析同时添加La_xO_y和Pr_xO_y对ZAl205A组织和性能的影响机制，得出结论，加入La_xO_y和Pr_xO_y稀土氧化物，能够细化α-Al晶粒，使θ′（CuAl₂）析出相的形态与分布发生变化，并在晶界处产生了Al-Re-O的物相钉轧位错。其中，θ′（CuAl₂）析出相形态和分布的变化是提高材料性能的关键^[6,7]。可以通过添加CeO₂细化2024铝合金的铸态以及退火热处理后的组织，也能和Al、Cu生成Al₃Ce新相和CeCu新相，组织的细化和新相的析出沉淀能显著提升2024合金的抗拉强度及屈服强度^[8]。添加稀土元素Y能将2024合金的二次枝晶的相互距离明显减少。稀土元素或者稀土氧化物的添加还可以提升2024合金的抗腐蚀性性能和抗氧化性能^[9]。

2024系列铝合金的熔炼过程中添加微量稀土能有效改善合金的微观组织结构，细化晶粒，弥散强化等，稀土元素还能很好的除气、除渣、净化铝液、变质处理及微合金化，能降低铝铸锭和铝铸件的含气量、减少其中的氧化夹杂物以及消除铸锭、铸件的表面裂纹，提升铝合金的强韧性、增强抗腐蚀性和提高疲劳极限等综合性能。我国是一个稀土资源相对丰富的国家，研究稀土在2024铝合金中的应用意义尤为重要^[10]。

1 试验材料和方法

1.1试验材料

本实验选用的是国内某金属材料有限公司生产的2024铝合金和纯度为La-10wt%的Al-La合金，2024铝合金化学成分如表1所示。

表1 2024铝合金化学成分

Table 1

成分	Al	Cu	Mg	Mn	Zn	Cr
含量（%）	其余	3.8-4.9	1.2-1.8	0.30-1.0	0.25	0.1

1.2试验方法

将2024铝合金和10%Al-La合金放入坩埚式电阻炉中加热到780℃-800℃保温30min，充分搅拌后继续保温一段时间后，对金属熔液进行打渣及精炼，静置一段时间，将熔炼好的合金液倒入金属模具浇铸成型。本试验样品均选择固溶（500℃-1h）+时效（190℃-10h）的热处理工艺参数，利用热处理设备对未变质及变质2024铝合金进行热处理。

采用Axio Imager Aim型金相显微镜进行金相组织观察，并拍摄所需倍数的金相照片，在金相试验前，先采用360目、600目1000目、1200目、2000目的SiC砂纸对试样进行细磨，然后抛光出镜面。采用EM-4500型显微硬度计载荷200 gf对试样进行硬度测量，保载时间10s，对每个试样测三点，然后算出平均值。采用WE-300型万能试验机室温进行抗拉强度测试，拉伸速率为0.2mm/s，测试之前先用1000#的砂纸把样品的表面和侧面进行打磨，以减小试样表面粗糙度对实验结果的影响。将样品浸入腐蚀液（3.5%NaCl溶液）静置几分钟后，采用VersaSTAT 3工作站以50mV/min的扫描速度从-2000mV扫至1000mV，用V3-Stadio软件分析实验结果，得到极化曲线。

2 试验结果与分析

2.1 不同La加入量合金的显微组织

图2.1为添加稀土La 0wt.%、0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%和0.8wt.%2024合金的微观组织形貌。由图中可以看出，图2.1（a）为未添加稀土La的2024合金的组织，α-Al晶粒的形貌是粗大枝晶，晶粒尺寸大，一般在100μm左右；当La的添加量为0.2wt.%时，α-Al晶粒仍然比较粗大，但较未未添加稀土La时有一定的细化，如图2.1 (b)所示；进一步增加La的含量到0.4wt.%时，α-Al晶粒进一步细化，枝晶臂尺寸变小，如图2.1 (c)所示；La含量继续提高到0.6wt.%，枝晶尺寸进一步变小，枝晶尺寸在30–50μm之间，枝晶分布更均匀，枝晶臂尺寸更细小，如图2.1 (d)所示；此时继续提高La含量至0.8wt.%，α-Al晶粒尺寸较图2.1 (d)变化不明显，枝晶臂变化不明显，如图2.1 (e)所示。综上所述，稀土La可以使2024合金的晶粒明显细化和均匀化，La的添加使2024合金中的晶界含量增多，晶界有阻碍位错运动和晶面滑移的作用，晶界含量越多，对位错运动和晶面滑移的阻碍作用越大，越有利于合金的强化。

2.2 不同La加入量合金的显微硬度

图2.2为添加稀土La 0wt.%、0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%和0.8wt.%合金的显微硬度曲线。从图32.2中可以明显的看出，添加稀土La的合金显微硬度值均高于未添加时的显微硬度值，当La含量从0wt.%到0.6wt.%递增时，2024变质合金的显微硬度也在逐渐增大，在La含量为0.6wt.%时，变质合金的显微硬度最大，其值达130.8HV；继续增加La含量至0.8% wt.%时，合金的显微硬度下降。

图2.1 不同La加入量的2024合金显微组织

(a) 0 wt.%，(b) 0.2wt.%，(c) 0.4wt.%，(d) 0.6wt.%，(e) 0.8wt.%

图2.2 不同La添加量合金的显微硬度趋势图

2.3 不同La加入量合金的常温力学性能

图2.3添加稀土La 0wt.%、0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%和0.8wt.%的2024合金的室温拉伸曲线。由图可以看出，添加稀土La合金的常温拉伸性能均高于未添加稀土La的2024合金的常温拉伸性能，图2.3（a）未添加稀土La时2024合金的应力应变曲线，其抗拉强度为464MPa；图2.3（b）稀土La添加量为0.2wt.%时合金的抗拉强度为516MPa，比未添加时强度提高了11.2%；图2.3（c）稀土La添加量为0.4wt.%时合金的抗拉强度为534MPa，比未添加时强度提高了15.1%；图2.3（d）稀土La添加量为0.6wt.%时合金的抗拉强度为546MPa，比未添加时强度提高了17.8%；图2.3（e）稀土La添加量为0.6wt.%时合金的抗拉强度为506MPa，比未添加时强度提高了9.1%，与稀土La添加量为0.6wt.%时合金的抗拉强度有所下降。综上所述，稀土La可以强化2024 合金的室温抗拉强度，其中稀土La添加量为0.6wt.%时合金的抗拉强度最高。

图2.3不同La添加量合金的室温拉伸曲线

2.4 不同La加入量合金的耐腐蚀性能

图3.4添加稀土La 0wt.%、0.2wt.%、0.4wt.%、0.6wt.%和0.8wt.%合金的极化曲线。在正向扫描中，合金的腐蚀电流随电位的增加而迅速减小，在其自腐蚀电位处达到最小值，然后随电位的增加而慢慢增加，一直到一定的临界电位，即点蚀电位。由于点蚀的开始是钝化膜的破裂，因此腐蚀的阳极电流会迅速增加。从图中可以得出，添加稀土La合金的自腐蚀电位均比未添加稀土La的2024合金的高，未添加稀土La合金的自腐蚀电位约为-1.21V，点蚀电位约为-0.68V；稀土La添加量为0.6wt.%时合金的自腐蚀电位最高，大约为-0.76V，相对于未添加稀土La合金的自腐蚀电位提高了450mV；稀土La添加量为0.6wt.%时合金的点蚀电位为-0.31V，相对于未添加稀土La合金的点蚀电位提高了370 mV。说明稀土La添加量为0.6wt.%时合金具有较好的抗点蚀性能，具有良好的耐腐蚀性。

稀土La添加量为0.6wt.%时的合金当外加电压为-0.31V时，合金开始钝化，此时的工作面上会产生一层钝化膜；当继续增加外加电压直到电流密度突然增大时，合金表面的钝化膜开始溶解破裂，合金产生点蚀现象。由此可知，向2024铝合金中添加稀土La能提高其自腐蚀电位并促进钝化的产生，同时也提高了合金的点蚀电位，从而能够改善2024铝合金的耐盐水腐蚀性能。

图2.4不同La添加量的合金的极化曲线：

(a) 0 wt.% (b) 0.2wt.% (c) 0.4wt.% (d) 0.6wt.% (e) 0.8wt.%

3 镧提升2024合金强度机制

由 于多晶体中的晶界的变形抗力较大，且每个晶粒的变形都要受到周围晶粒的牵制，故多晶体的室温强度总是随着晶粒的细化（即晶界总面积的增加）而提高。由Hall-Petch公式（式(3.1)）可以量化晶粒尺寸与合金强度的关系：

式(3.1)

其中σ为材料的强度，σ0和k为常数，d为晶粒的直径。

根据式(3.1)中得出，材料的强度与晶粒的直径的二次根成反比，也就是合金的晶粒尺寸越小，合金的强度会越高。由图2.1可知，添加稀土La的合金中的α–Al枝晶的尺寸和形态都发生了明显的变化；未添加稀土La的2024合金的α–Al晶粒的尺寸在100μm左右，添加稀土La后α–Al晶粒的尺寸明显减小，枝晶被细化，且枝晶间距变小。

4 结 论

（1）稀土元素La具有细化2024合金晶粒的作用。 La变质2024合金的α–Al枝晶的尺寸更小，枝晶间距更小，枝晶大小更均匀；未变质2024合金的初生α–Al枝晶的尺寸在100μm左右，而变质后的合金α–Al枝晶尺寸在30–50μm；0.6wt.% La变质2024合金中枝晶尺寸最小，枝晶臂最小，枝晶最均匀。

（2）稀土元素La变质2024合金的显微硬度和拉伸性能比未变质合金均有不同程度的提高。随着La含量的增加，合金的显微硬度和拉伸强度均呈现先上升到一定值后再下低，La含量为0.6wt.%时达到最大，0.6wt.% La变质2024合金的显微硬度和抗拉强度分别为130.8HV和546Mpa。

（3）稀土元素La能够促进2024合金表面产生钝化膜，降低合金的耐腐蚀倾向，改善合金的耐腐蚀性能。La能够提高材料的自腐蚀电位和点蚀电位，La含量为0.6wt.% 时2024合金的自腐蚀电位和点蚀电位最高。

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第一作者:王世钧 汉 陕西省神木县 工程师 大学本科 材料组织及性能控制 内蒙古科技大学 内蒙古包头市阿尔丁大街7号 014010

通讯作者:陈林 汉 内蒙古包头 教授 硕士 轧钢生产新工艺、新技术以及材料加工数值模拟及组织控制

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