PDF《稀土钇对 7055 铝合金熔炼和凝固过程的作用机制》

680 ℃, 用钟罩将预热到 200~300 ℃的Al-Mg 合金压入熔池中 心,并缓慢回转移动,然后加镁合金熔炼覆盖熔剂. 合金化结束后, 将熔体温度升至 720~730 ℃, 保温 4~5 min,浇入直径

60 mm 的半连铸水冷铜模中. 从铸锭下部取样,金相试样使用 Keller 试剂进行 腐蚀. 用LEICA DM 2500M 金相显微镜观察合金铸态 组织,主要是晶粒尺寸;

用JSM-7001F 扫描电镜进一 步观察微观组织,用扫描电镜自带的 Inca Energy

350 能谱仪分析合金成分.

2 结果与讨论 2.1 钇与熔体中杂质原子间的作用 第1期李桂荣等:稀土钇对

7055 铝合金熔炼和凝固过程的作用机制 ・81・ 稀土元素属于典型金属元素,活泼性强,仅次于 碱金属和碱土金属.因此钇与高温铝液中溶解的非金 属杂质元素间有较强的相互作用,通过化学反应生成 化合物. 钇的电负性 1.2,氧的电负性 2.1,相差 0.9,钇与 氧之间有较强的结合趋势.对应氧化物 Y2O3 和Al2O3 两物质在

298 K 时的焓变为:

2 3 Y O ,

298 K H Θ Δ =C1879.45 kJ/mol (1)

2 3 Al O ,

298 K HΘ Δ = C1486.60 kJ/mol (2) 可见,Y2O3 比Al2O3 更加稳定.钇与氧的结合能 力比铝与氧的结合能力强,能夺取熔体中氧化物(主 要是 Al2O3)的氧,生成 Y2O3.Y2O3 晶格常数与 Al 接近,熔点高(2410 ℃) ,可以作为铝的形核核心, 相当于对夹杂起到了变性作用. 氢的电负性 3.5,比钇的电负性高 2.3.因为

2 个 元素之间的电负性差别越大,亲合力越强,所以钇氢 混合物的生成焓为:

2 YH ,

298 K HΘ Δ = C185.98 kJ/mol (3)

3 YH ,

298 K HΘ Δ = C139.42 kJ/mol (4) 所生成的稀土氢化物一部分上浮,800℃以上会 离解,而大部分弥散在铝液中,这些微小质点会成为 铝结晶过程的异质晶核.以化合物形式存在的氢不会 聚集形成气泡,有效抑制了气泡出现,降低了铝中针 孔率,这对改善

7055 形变铝合金的变形能力是非常 有益的.图1是加 Y 前后铸态组织针孔度差异图. 研究 Y 与N、S 元素间的作用,以Y与N、S 元 素间生成简单化合物的热力学函数: YN

298 K H Θ Δ , = C299.36 kJ/mol (5) YS

298 K HΘ Δ , = C452.17 kJ/mol (6)

2 3 Y S

298 K HΘ Δ , = C1289.53 kJ/mol (7) 得到生成的新物质性能稳定、熔点高、密度小,在铝 中难熔,容易成渣上浮后排除. 2.2 Y 与Al 间的相互作用 在Al-Y 相图的铝端有一个共晶反应[6] ,位于 Al 与YAl3 之间,共晶温度

910 K(639 ℃) ,此时 Y 的图1加Y前后铸态组织中针孔度对比图 (*100) Fig.1 Comparative images about pinholes in the as-cast samples before (a) and after (b) yttrium addition 原子分数为 3.3%,质量分数为 10%.在共晶温度条件 下,Y 在铝中的固溶度为 0.17%,在铝中添加稀土且 稀土含量超过在铝中的溶解度时, 将生成富铝稀土相, 并与铝形成共晶. 从Al-Y 二元相图上看, 可以通过不 同途径生成以下物质: YAl3:1355 ℃下通过包晶反应生成,其过程为: 熔液 (L) +α (YAl3) 冷却 加热 β (YAl3) (8) β 相的结构属于三角晶系,空间群为 R3m,单位 晶胞中有

12 个原子,晶格常数 a=0.79 nm,α=46° 8, 密度为 3.6*103 kg/m3 .如果用六方晶系表示,则单位 晶胞中有

36 个原子, 晶格常数 a=0.62 nm, c=2.12 nm. 三角晶格仅在

900 K(629 ℃)以上稳定存在,低于此 温度时则为 α 相(YAl3) , 结构是六方晶格. YAl2:

1455 ℃下通过固液同份熔化生成;

YAl:1655 ℃下通过包 晶反应生成;