Microstructure and Mechanical Properties of Al-Ce and Al-Ce-Cr Cast Alloys: Effects of Cr and Solidification Conditions

技术摘要：Al-Ce 及 Al-Ce-Cr 铸合金的显微组织与力学性能

问题陈述
能够在高温下保持机械性能的轻量化铝合金对于交通运输及结构应用至关重要。虽然 Al-Ce 合金因其良好的铸造性能和热稳定性高的金属间化合物而具有广阔的应用前景，但铬（Cr）的添加对快速凝固条件下相形成及力学行为的具体影响仍未得到充分理解。先前的研究已经证实，Cr 可以通过形成初生金属间化合物来改变凝固显微组织，但为了优化 Al-Ce(-Cr) 合金在快速凝固下的压缩行为，仍需进一步建立“工艺-显微组织-性能”之间的关联关系。

研究方法
本研究调查了两种合金成分：Al–13 wt.%Ce 和 Al–10 wt.%Ce–1 wt.%Cr。实验方法通过感应熔炼制备这些合金，并通过两种不同的凝固路径进行处理，以比较冷却速率的影响：

1. 定向凝固 (DS)： 在带有水冷底座的不锈钢模具中进行，实现的冷却速率分别为 0.76、3.2 和 15.9 °C/s。
2. 离心凝固 (CS)： 在直径为 5、7、9 和 11 mm 的阶梯铜模中进行，以实现显著更高的冷却速率和快速凝固状态。

样品采用 X 射线衍射 (XRD) 进行物相鉴定，并使用扫描电子显微镜 (SEM) 结合能量色散谱 (EDS) 进行形貌分析。测量了定量显微组织参数，包括二次枝晶间距 ($\lambda_2$) 和共晶间距 ($\lambda_E$)。机械性能通过维氏显微硬度测试和单轴压缩测试（遵循 ASTM E9-19 标准）进行评估，通过 Hollomon 分析确定屈服强度、极限抗压强度以及塑性变形参数（加工硬化指数 $n$ 和强度系数 $K$）。

主要结果

• 显微组织演变： 与定向凝固相比，离心凝固产生的显微组织明显细化，平均枝晶间距 ($\lambda$) 在 4.0 至 5.4 μm 之间。
  • Al–13Ce： 表现出取决于样品直径的胞状向枝晶转变。较小直径（5–7 mm）由于高界面速度和高共晶分数，呈现出混合胞状/枝晶形貌；而较大直径（9–11 mm）则主要呈现枝晶结构。
  • Al–10Ce–1Cr： 在所有直径下均保持枝晶形貌。Cr 的添加抑制了二元合金中观察到的胞状形貌，这可能是由于溶质重新分布和界面不稳定性度的改变所致。
• 物相组成： 两种合金均形成了过共晶结构。二元合金由初生 $Al_{11}Ce_3$ 和 $\alpha$-Al + $Al_{11}Ce_3$ 共晶组成。三元合金则形成了初生 $Al_{20}CeCr_2$ 颗粒以及 $\alpha$-Al + $Al_{11}Ce_3$ 共晶。XRD 证实，虽然物相组成保持一致，但晶体取向随 CS 工艺中的样品直径而变化。
• 力学性能：
  • 抗压强度： Al–10Ce–1Cr 合金通常比二元 Al–13Ce 合金表现出更高的抗压强度和屈服强度。在 11-mm CS 条件下，三元合金的抗压强度达到 282 MPa，屈服强度为 143 MPa，而二元合金分别为 253 MPa 和 119 MPa。
  • 硬度： 维氏硬度并未严格遵循抗压强度的趋势。在 DS 条件下，尽管二元合金的抗压强度较低，但其硬度更高，这归因于其共晶组分比三元合金的共晶更细小。
  • 塑性响应： Hollomon 分析显示，Al–10Ce–1Cr 合金具有更高的强度系数 ($K \approx 231$ MPa) 但较低的加工硬化指数 ($n \approx 0.14$)，而二元合金为 ($K \approx 205$ MPa; $n \approx 0.18$)。这表明含 Cr 合金具有更高的抗塑性流动能力，但加工硬化能力较低。

意义与结论
论文得出结论，这些合金的压缩响应不仅受显微组织细化（枝晶间距）控制，还显著受物相组成、金属间化合物分布以及颗粒/基体相互作用的影响。三元合金中存在的初生 $Al_{20}CeCr_2$ 颗粒作为位错运动的有效障碍，增强了屈服强度和抗塑性流动能力，特别是在压缩条件下，粗大脆性相的负面影响比在拉伸条件下较小。

研究强调，虽然离心凝固能有效细化显微组织，但机械性能的结果是合金化学成分（特别是 Cr 的添加）与凝固路径之间复杂的相互作用。研究结果为通过利用 Cr 添加和快速凝固来优化 Al-Ce 基合金的高温压缩机械性能提供了进一步的见解。