CN117604333A - 具有双态共晶组织的Al-Ce-Ni合金、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双态共晶组织的Al‑Ce‑Ni合金、制备方法及应用，Al‑Ce‑Ni合金的组成为：Ce 11～13%、Ni 2.5～4%、Yb 0.1～0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素。本发明所制备的合金通过添加Ni元素，形成了间距细小的纤维状α‑Al/Al11Ce3/Al3Ni三元共晶和汉字状α‑Al/Al11Ce3共晶的混合组织特征，使得合金的共晶相体积分数高于20%，第二相强化和载荷传递的作用更明显，从而提高了合金的力学性能和合金塑性。此外，Yb的添加细化了初生Al11Ce3相，并促使其形貌转变为细块状，还细化了α‑Al/Al11Ce3共晶间距，进一步提高了合金的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及到铝合金技术领域，具体涉及到一种具有双态共晶组织的Al-Ce-Ni合金、制备方法及应用。
背景技术
铝合金具有高的比强度、低的密度、良好的导热性和成型性，是汽车工业领域理想的轻量化结构材料。其中，铝制铸件的制备周期短，价格低廉，密度仅为钢制结构件的三分之一，已广泛应用于如电机壳、气缸盖和发动机活塞等汽车结构件。目前汽车领域使用的铝制铸件主要采用铝硅共晶合金制备。由于铝硅共晶合金的共晶Si相为端部尖锐的针片状，严重割裂了铝基体且容易在受力时产生应力集中，导致铸件的强度和塑性较差，无法达到未来汽车对高性能铝铸件的要求。
铝铈共晶合金的流动性与铝硅共晶合金的相当，且热裂倾向低、热导率和热稳定性良好，是替代传统汽车用铝铸件的合适材料。铈是一种廉价的稀土元素，在地壳中的丰度为68 ppm，占总稀土元素的28%，主要是提取昂贵稀土元素时的副产物。因此，铈可以作为铝的主要合金元素而大范围使用，且不会明显提高生产成本。
铝铈共晶合金的共晶相为汉字状的Al11Ce3相，尺寸较小，表现出相互连接的特征，可以通过载荷传递和第二相强化的方式来强化合金。然而Al11Ce3相的强化能力较弱，导致铝铈共晶合金的机械性能偏低。因此需要调控合适的共晶组织，以改善合金的机械性能和满足下一代汽车用铝铸件的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种具有双态共晶组织的Al-Ce-Ni合金、制备方法及应用。
本发明所采取的技术方案是：
第一个方面，本发明提供一种具有双态共晶组织的Al-Ce-Ni合金，以质量百分比计，所述合金的组成为：Ce 11～13%、Ni 2.5～4%、Yb 0.1～0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
在一些实例中，所述的Al-Ce-Ni合金中的Ce和Ni的质量用量比为(3～5)：1。
在一些实例中，以质量百分比计，所述的Al-Ce-Ni合金的组成为：Ce 12%，Ni 3%，Yb 0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
在一些实例中，以质量百分比计，所述的Al-Ce-Ni合金中的不可避免的杂质元素含量≤0.1%。
在一些实例中，所述Al-Ce-Ni合金的共晶相体积分数不低于20%，在室温下的屈服强度为132～151 MPa，抗拉强度为244～257 MPa，伸长率为5.3～7.5%。
第二个方面，本发明第一个方面提供的Al-Ce-Ni合金的制备方法包括以下步骤：
1）配料：按比例称取铝原料、Ce原料、Ni原料、Yb原料，清洁干净并预热；
2）熔炼：将预热的铝原料加热至790～810℃，待铝原料完全熔化后，再加入已预热的Ce原料、Ni原料、Yb原料，熔化后降温到750～760℃搅拌6～10 min；
3）精炼：搅拌完成后隔绝空气下进行除气精炼，扒渣过滤，在740～750℃保温8～10 min，浇注脱膜得到合金铸锭。
在一些实例中，所述步骤1）中的预热温度为200～230℃，预热时间为30～35min。
在一些实例中，所述步骤3）中的精炼时间为5～7 min。
在一些实例中，所述Ce原料为Al-20Ce合金，所述Ni原料为Al-10Ni合金，所述Yb原料为Al-5Yb中间合金。
第三个方面，本发明第一个方面所述的Al-Ce-Ni合金在制备结构件的应用。
本发明的有益效果是：
本发明的Al-Ce-Ni合金是一种共晶型合金，其微观组织由汉字状的α-Al/Al11Ce3二元共晶和细纤维状的α-Al/Al11Ce3/Al3Ni三元共晶两种形态共晶构成。基于细化共晶间距、变质共晶形貌和增加共晶相体积分数以强化基体的设计思路，本发明采用合金化Ni的方式，利于L→α-Al + Al11Ce3+ Al3Ni的共晶反应引入了精细的α-Al/Al11Ce3/Al3Ni三元共晶，将合金的共晶相体积分数增加至20%以上。同时，控制元素含量比M(Ce): M(Ni) = 3～5，形成的α-Al/Al11Ce3二元共晶间距为1.5～2 μm，而α-Al/Al11Ce3/Al3Ni三元共晶间距为200～250 μm。合金中精细的三元共晶沿二元共晶团边界分布，并在空间上形成相互连接的网状结构。这种双态共晶组织的分布特征和尺寸特点有利于调节合金变形过程中的应变分布，从而提高合金的塑性。此外Al-Ce-Ni合金的共晶相体积分数不低于20%，是二元Al-Ce共晶的两倍以上。大体积分数的共晶相可以带来更显著的载荷传递和第二相强化效果，大大提高了合金的综合力学性能。
本发明的Al-Ce-Ni合金加入了微量的Yb元素，变质了初生Al11Ce3相的形貌和大小。凝固初期，Yb会被初生Al11Ce3相排出并在固液界面前方富集，导致溶质重新分布，增加了成分过冷，阻碍Al11Ce3相的小平面生长，最终使得初生Al11Ce3相由长块状转变为细块状，尺寸为50～60 μm。此外，参考二元合金相图，Al-Yb 的共晶温度约为 625℃，而Al-Ce的共晶温度约为 640℃，导致发生二元共晶反应L→α-Al + Al11Ce3时，Yb被排出并富集在固液界面，影响固液界面的溶质分布，扰乱了和限制了共晶的耦合生长，最终细化了α-Al/Al11Ce3二元共晶组织，有利于提高合金的力学性能。
本发明的Al-Ce-Ni合金的主要合金元素为Ce和Ni元素，它们在铝中的固溶度小且扩散速率低，有利于在高温下保持共晶组织的尺寸大小和形貌特征，使得合金的强度不会在高温下明显下降，仍具有足够的高温强度。一方面，二元共晶区域中的汉字状Al11Ce3相具有低的粗化速率，可以在高温下继续强化基体；另一方面，三元共晶区域中的Al11Ce3纤维和Al3Ni纤维相互缠绕和贴合，限制了高温下的粗化，使得三元共晶的精细结构能够在高温时保留下来。细小且热稳定的双态共晶组织有利于提高Al-Ce-Ni合金的高温性能。
本发明的Al-Ce-Ni合金的共晶相体积分数不低于20%，在室温下的屈服强度为132～151 MPa，抗拉强度为244～257 MPa，伸长率为5.3～7.5%，在250℃下的屈服强度为105～113MPa，抗拉强度为218～233 MPa，伸长率为18.5～22.7%。该合金采用重力铸造方式制备，工艺简单，操作方便，制备周期短。
附图说明
图1是实施例5制备的Al-Ce-Ni合金的三元共晶组织扫描电镜图片。
图2是对比例2制备的未加入Ni和Yb的Al-Ce合金的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合实施例、对比例及实验数据对本发明进行详细说明。
按元素质量百分比计，各实施例中合金的化学成分为：Ce 11～13%、Ni 2.5～4%、Yb 0.1～0.3%，，不可避免的杂质元素含量≤0.1%，余量为Al。原料选取99.7%的工业纯铝，Al-20Ce、Al-10Ni和Al-5Yb中间合金。
下述实施例和对比例中所涉及到的仪器设备和原材料，若无特别说明，均可通过正规的商业渠道获取。
下述实施例和对比例中的实验和测试方法，若无特别说明，均为现有技术的常规实验和测试方法。其中，室温拉伸测试按照GB/T228.1-2010进行，高温拉伸测试按照GB/T228.2-2015进行。
实施例1
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 11 wt%、Ni:2.5 wt%、Yb:0.15 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为790℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到750℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
实施例2
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 11.5 wt%、Ni:3 wt%、Yb:0.2 wt%、余量为Al。先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为790℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到750℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
实施例3
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 12 wt%、Ni:3 wt%、Yb:0.3 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为800℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到760℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在750℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
实施例4
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 13 wt%、Ni:3.5 wt%、Yb:0.3 wt%、余量为Al。先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为800℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到760℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在750℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
实施例5
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 12 wt%、Ni:4 wt%、Yb:0.2 wt%、余量为Al。先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为800℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到760℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在750℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
该合金的三元共晶组织图如图1所示。
对比例1
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 11 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为770℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到750℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
对比例2
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 13 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为770℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到750℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
该合金的共晶组织SEM图如图2所示。
对比例3
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 12 wt%、Ni:1 wt%、Yb:1.5 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为780℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-5Yb中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到760℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
对比例4
1）按照组成元素重量百分比取Ce: 12 wt%、、Ni:3 wt%、余量为Al；先将上述原材料清洁干净，后置于干燥箱内210℃预热30min；
2）将工业纯铝放入熔炼炉中的石墨坩埚，熔炼温度为790℃；待工业纯铝完全熔化后，加入已预热的Al-20Ce中间合金、Al-10Ni中间合金，所有原料全部熔化后将炉温降到760℃，之后进行电磁搅拌8 min，频率为35 Hz；
3）电磁搅拌完成后向熔体通入干燥的高纯氩气进行除气精炼，氩气流量为0.7 L/min，精炼时间为5 min；精炼完成后进行扒渣过滤，并在740℃保温10 min；
4）再将熔体浇注到铸铁模具中，冷却到室温后脱膜，得到合金铸锭。
性能测试
对各个实施例和对比例所制备的合金进行室温拉伸和高温拉伸测试，各实例中的Ce、Ni、Yb元素组成见下表1，其余的为Al和不可避免的杂质元素，杂质的量不超过0.1wt%。
表1
按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015标准对实施例1～5和对比例1～4进行室温拉伸和高温拉伸性能测试。性能测试结果如表2所示：
表2
由表2可以看出，本发明所制备的合金的室温和高温力学性能均比对比例的明显提高。这是因为Ni加入后，形成了间距细小的纤维状α-Al/Al11Ce3/Al3Ni三元共晶和汉字状α-Al/Al11Ce3共晶的混合组织特征，使得合金的共晶相体积分数高于20%，第二相强化和载荷传递的作用更明显，从而提高了合金的力学性能。这种不同尺度的双态共晶组织有利于调节合金的应变分布，提高合金塑性。此外，Yb的添加细化了初生Al11Ce3相，并促使其形貌转变为细块状，还细化了α-Al/Al11Ce3共晶间距，进一步提高了合金的综合力学性能。所制备的Al-Ce-Ni合金的共晶相均表现出低的粗化速率，有利于在高温下强化基体。
以上是对本发明所作的进一步详细说明，不可视为对本发明的具体实施的局限。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的简单推演或替换，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有双态共晶组织的Al-Ce-Ni合金，其特征在于，以质量百分比计，所述合金的组成为：Ce 11～13%、Ni 2.5～4%、Yb 0.1～0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的Al-Ce-Ni合金，其特征在于，Ce和Ni的质量用量比为(3～5)：1。
3.根据权利要求1或2所述的Al-Ce-Ni合金，其特征在于，以质量百分比计，所述合金的组成为：Ce 12%，Ni 3%，Yb 0.3%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的Al-Ce-Ni合金，其特征在于，以质量百分比计，不可避免的杂质元素含量≤0.1%。
5.根据权利要求1所述的Al-Ce-Ni合金，其特征在于，所述Al-Ce-Ni合金的共晶相体积分数不低于20%，在室温下的屈服强度为132～151 MPa，抗拉强度为244～257 MPa，伸长率为5.3～7.5%。
6.权利要求1～5任一项所述的Al-Ce-Ni合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）配料：按比例称取铝原料、Ce原料、Ni原料、Yb原料，清洁干净并预热；
2）熔炼：将预热的铝原料加热至790～810℃，待铝原料完全熔化后，再加入已预热的Ce原料、Ni原料、Yb原料，熔化后降温到750～760℃搅拌6～10 min；
3）精炼：搅拌完成后隔绝空气下进行除气精炼，扒渣过滤，在740～750℃保温8～10min，浇注脱膜得到合金铸锭。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的预热温度为200～230℃，预热时间为30～35min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的精炼时间为5～7min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Ce原料为Al-20Ce合金，所述Ni原料为Al-10Ni合金，所述Yb原料为Al-5Yb中间合金。
10.权利要求1～5任一项所述的Al-Ce-Ni合金在制备结构件的应用。
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