稀土元素ce对铝铜合金组织性能影响的研究.doc

稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页1稀 土 元 素 Ce 对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究安徽农业大学经济技术学院 11 机制 合肥摘　要　高强度铸造铝合金具有良好的室温和高温强度,但它的晶粒细化程度一直是制约其发展的瓶颈通过对合金的结晶条件、细化晶粒和抑制其再结晶行为进行测试,研究了微量合金元素(Cu,Si,Ce,Mg,Mn)对铝合金晶粒细化性能的影响其结果表明，Cu,Si,Ce,Mg,Mn 合金元素能使铝合金的晶粒细化程度提高;加入质量分数为 2%的 Si 会使合金的再辉现象非常严重,导致合金不可能有很高的强度而很快断裂;与其他 AlCu4.5Si 合金相比,AlCu4.5Si3 合金具有很强的补缩能力,断裂应力值最高;La 的加入能缩小二次枝晶间距,明显提高合金的抗热裂性能关键词:树枝晶　铸造 AlCu 合金 补缩 等轴晶 热处理1、绪论随着航空航天、新型高速列车、汽车、船舶制造业技术的飞速发展，传统的金属材料已经逐渐被工业生产淘汰，取之而来的是更为优秀的新型合金材料。

镍合金、钴合金、钛合金、铝合金、不锈钢及其它特种金属已经是航空航天的主导材料这些优秀的新型材料会在保证使用强度的前提下，减轻使用的重量以及成本，以提高运载能力和速度密度小，强度高的合金当然会取代传统的金属材料，成为 21 世纪最受欢迎的材料因为在地壳中铝的含量为最高，所以成本比较低，强度也非常优秀，所以在工业生产制造中铝合金成为工业中很受欢迎的发展对象铝合金优点有：质量轻，延展性好，强度高，可回收再造率高，较环保的一种新型材料很多国家和领域都在不断地探索和发觉铝合金更大的潜力，并不断的优化其物理和化学性能，使其具有人们所需要的使用力学效果外，还具有抗化学变化的储存和延长其使用寿命效果目前 Al-Cu 系铸造铝合金是一种具有优秀铸造性能的工程铝合金材料世界各国都有类似的成分牌号表 1-1 各国铸造 Al-Cu 合金牌号及技术参数稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页2国家 牌号 抗拉强度/MPa 延伸率/%ZL201 220 1ZL201A 270 2ZL202 290 2中国ZL203 290 2356.0 207 3A356.0 234 4美国A357.0 283 3德国 Almelec 270 3铝合金密度小而强度高，因此在高端的航空领域应用广泛。

在各种铝合金中，Al-Cu 系合金铸造性能优良，比如可塑性好，气密性好，延展性好等，但是在自然界中经过简单的提取后其力学性能确实一般，因此要通过一些外界的干预，提高其力学性能，使其拥有较理想的强度和韧性，因此人们在不断的探索更优良的工艺及细化晶粒的催化剂纯度比较高的熔体、和理性的细化变质效果是铝合金潜力发挥的重要条件因此，人们探索发现各种工艺和催化剂旨在于此铈（Ce）的密度低，在铝合金和铝材料中同时具有过渡金属和稀土金属这两类金属的作用，效果却比这两类金属对铝合金组织性能的影响大含 Ce铝合金强度高，热稳定性好，有强烈的失效硬化效应，是发展高强度，耐高温和抗腐蚀性结构铝合金的一种微量添加元素近些年来，含 Ce 铝合金收到金属材料界的重视，从大量的理论基础和实际工业生产中都做了不少研究，西方欧美国家在这方面起步要比我过早，我国目前还处于起步阶段1.1 铈（Ce）的概述铈（shì），原子序数 58，原子量 140.115，元素名来源于小行星谷神星的英文名1803 年德国化学家克拉普罗特、瑞典化学家贝采利乌斯分别发现了铈的氧化物铈的天然稳定同位素有 4 种：铈 136、138、140、142。

铈在地壳中的含量约 0.0046%，是稀土元素中丰度最高的为铁灰色金属，有延展性，熔点 799°C，沸点 3426°C，密度 6.657 克/厘米³铈是除铕外稀土元素中最活泼的铈在室温下很容易氧化;在冷水中缓慢分解，在热水中反应加快;大多数铈盐及其溶液为橙红色到橙黄色，具有反磁性和强氧化性二氧化铈用于抛稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页3光精密玻璃制品，也可做玻璃去色剂和用于生产有色玻璃，硝酸铈用于制造白炽灯罩1.1.1 铈的性质金属铈（Ce）：铈元素的原子序数 58，铈是一种银灰色的活泼金属，粉末在空气中易自燃，易溶于酸主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中常由氧化铈用镁粉还原，或由电解熔融的氯化铈而制得在地壳中的含量约 0.0046%，是稀土元素中丰度最高的铈主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中常由氧化铈用镁粉还原，或由电解熔融的氯化铈而制得铈在室温下很容易氧化，在空气中很容易失去光泽，用刀刮即可在空气中燃烧（纯的铈不易自燃，但稍氧化或与铁生成合金时，极易自燃）。

加热时，在空气中燃烧生成二氧化铈能与沸水作用产生氢氧化铈，溶于酸，不溶于碱铈也能在卤素中燃烧，如在氯气中燃烧，产生三氯化铈(CeCl)：2 Ce + 3 Cl==Δ(或点燃)== 2 CeCl受低温和高压时，出现一种反磁性体，比普通形式的铈致密 18%用于制造打火石、陶瓷和合金等铈是除铕外稀土元素中最活泼的铈在冷水中缓慢反应，在热水中反应加快1.1.2 铈的用途用作合金添加剂，及用于生产铈盐等，也用于医药、制革、玻璃、纺织等工业铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件1：铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃不仅能防紫外线，还可降低车内度，从而节约空调用电从 1997 年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996 年用于汽车玻璃的氧化铈至少有 2000 吨，美国约 1000 多吨2：目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强3：硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业目前领先的是法国罗纳普朗克公司。

4：Ce:LiSAF 激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页4剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等5：制造高辉度碳弧灯，掺入特种金属里充当合金添加剂氧化物用于光学器件和玻璃工业，铈盐用于摄影和纺织工业铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件硝酸铈可用来制造煤气灯上用的白热纱罩6：铈 - 铈铝 铈铝就是我们平时说的 Ce 铝，Ce 铝是一种新型的铈(Ce)系纯铝复合涂层主要包括铈(Ce)系纯铝涂层和环氧乙烯酯漆涂层，所述铈(Ce)系纯铝涂层是以铝为原料，添加铈(Ce)元素的热喷涂层，所述环氧乙烯酯漆涂层为铈 Ce铝热喷涂层的封闭层和功能涂层铈(Ce)系纯铝涂层添加元素铈(Ce)重量百分比 0.05-0.50%(wt)，其它杂质铁+铜+硅≤0.30%(wt)，余量为铝，还可辅助添加元素镁，系纯铝涂层的制作方法为：加工制作成线材或者粉末用热喷涂技术在钢铁表面制作成 Ce 铝喷涂层。

所述环氧乙烯酯漆涂层为以环氧乙烯酯树脂为原料，添加炭化硅和铝粉或铝粉浆环氧乙烯酯漆作为 Ce 系铝涂层的封闭层、中间层和表面层，也还可以其它油漆涂料代替其中的某一层或者全部一种铈(Ce)系纯铝复合涂层，主要包括：铈(Ce)系纯铝涂层和环氧乙烯酯漆涂层，其特征在于：所述铈(Ce)系纯铝涂层是以铝为原料，添加铈 (Ce)元素的热喷涂层，所述环氧乙烯酯漆涂层为铈 Ce 铝热喷涂层的封闭层和功能涂层1.1.3 铈的资源制取及储存铈是地壳中最丰的稀土金属用钙还原氧化亚铈或 电解氯化亚铈可制得金属铈70g 三氯化铈、18.5g 钙在惰性气氛下彻底混合摇匀装入钽坩埚或用机动压力机压成圆柱体放在钽坩埚中，坩埚配有打孔的钽盖子以便通气，置于密闭 MgO 坩埚（d=0.0508m,h=0.1778m）中然后放在石英管（d=0.11615m）中，管的一端熔封，另一端打磨后嵌入 55/50 锥形接头中用石蜡将石英管密封在真空体系中（0.133Pa）充入 Ar（先通过热的金属铀纯化）到=101.325kPa，用 6kW 感应炉加热到 550～600℃，使反应发生（钽坩埚温度突然上升为据）5min 后达到 1000℃，维持 13min 使产生的稀土金属完全结块。

冷却到室温，用水浸泡钽坩埚以除掉 CaCl、Ca，稀土金属融块保留在底部（1%～3%Ca）储存于阴凉、通风的库房远离火种、热源库温不宜超过 30℃包装要求密封，不可与空气接触应与氧化剂、酸类、卤素、食用化学品分开存放，切忌混储稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页5采用防爆型照明、通风设施禁止使用易产生火花的机械设备和工具储区应备有泄漏应急处理设备1.2 铝铜 Al-Cu 合金概述2 系列铝铜合金以铜为主要合金元素的铝合金，它包括 Al-Cu-Mg 合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金和 Al-Cu-Mn 合金等，属热处理可强化合金2 系列合金特点是强度高，通常称为硬铝合金，其耐热性能和加工性能良好，但耐蚀性不如大多数其他铝合金好，在一定条件下会产生晶间腐蚀，因此板材往往需要包覆一层纯铝或 6 系列铝合金，提高抗腐蚀性其中 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金有极为复杂的化学组成和相构成，它在温度下有高的强度，并具有良好的工艺性能，主要用于 150—250 摄氏度以下工作的耐热零件；Al-Cu-Mn 合金的室温强度虽然低于 Al-Cu-Mg 合金 2A12 和 2A14，但在 225—250 摄氏度或更高温度下强度比二者高，并且合金的工艺性能良好，易于焊接，主要应用于耐热可焊的结构件及锻件。

该系提供板材、型材、锻件、线材、棒材、管材、箔材，应用广泛，有航空航天结构件、焊条焊料、机械加工品、发动机活塞机轮等等1.2.1 铝铜 Al-Cu 合金主要性能及作用铜从大自然提取，其导热导电耐腐蚀性能优良和美丽的光泽，其可塑性特别好，和其他金属合金化能提高其性能；铝也具有导热导电耐腐蚀，密度低塑形好的特点进行合金化后其整体强度明显提高，可代替笨重的金属材料，易于运输使用，对轻工业，高空工业发展都有着十分重要的位置1.2.2 单一合金元素对铝铜合金的力学性能影响图 1-3 Cu 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页6图 1-4 Mg 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响图 1-5 Mn 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响1.2.3 常规铝铜合金的熔炼工艺1.选择按照技术要求所采购来的合格铝锭2.根据具体配方对原料回料和合金进行配比3.检查和准备熔化器具4.按照工序加料熔化5.对融化好的熔液进行精炼除气6.根据要求进行变质和细化晶粒处理7.调整温度进行浇注稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页71.3 课题研究内容和意义目前国际市场对铝合金这种新的材料，都存有很大。