昆明理工大学李祖来、林国建：铈、钇添加对纯铝合金强度和导电性能的影响

     2024年04月12日

文献信息

【引用信息】Guojian Lin, Lu Li*, Zhengwei Guo, Xianjun Jia, Xiao Wang, Zhentao Yuan, Guoxing Zhang, Yun Zhan, Quan Shan**, Zulai Li***. Influence of cerium and yttrium addition on strength and electrical conductivity of pure aluminum alloys. J. Rare Earths, 2024; 42(3):600-611.

研究背景

     由于具备高比强度和导电性、良好的耐腐蚀性和低廉的成本，纯铝合金被广泛应用于湿法冶金和汽车制造领域。但纯铝合金板材目前已无法满足生产需要，其主要原因是纯铝合金强度低、在高温环境下易变形。此外，纯铝合金中存在的杂质，如Fe和Si，会影响其导电性能。因此，开发具有高强度和导电性的纯铝合金极具挑战性。宏观塑性变形和细晶强化是提高合金机械强度的主要手段，但它们通常会产生非常高的位错密度和更多的晶界，而高位错密度和多晶界会增加传输过程中电子散射的程度，所以强度的增加往往伴随着电导率的降低。因此，如何平衡强度和导电性之间的关系对于开发高强度和导电性纯铝合金是至关重要的。

 

图文摘要

稀土元素的加入能有效地细化α-Al晶粒，使得组织细化，从而导致合金性能的变化。其变化如图上半部分所示，随着稀土元素Ce和Y的加入，合金的抗拉强度、硬度和电导率逐渐增大。通过TEM观察，可以发现少量的Al₃Y沉淀在晶粒内部。在HRTEM图像中Al-0.2Ce-0.1Y合金中纳米级析出相与基体结合良好。通过衍射图样标定，发现Al₃Y的(009)面平行于α-Al的(111)面，两者之间的计算失配为0.85%，低于6%。因此，它可以为α-Al提供有效的形核基底。同时，运用第一性原理计算辅助证明，Y的加入可以有效地细化晶粒，提高合金的力学性能和电导率。

内容介绍

  以传统强化手段改善纯铝合金的力学性能，往往伴随着合金导电性能的下降。此外，纯铝合金中存在的Fe、Si等杂质元素也会对合金的导电性能产生影响。因此如何平衡二者之间的关系，实现两种性能协同提高的问题亟待解决。本文旨在开发高导电性和高强度的纯铝合金，首先采用轧制和退火工艺制备了Al-0.2Ce和Al-0.2Ce-0.1Y合金，然后研究了微量稀土元素对纯铝合金强度和导电性能的影响，同时还利用第一性原理计算对合金基体与第二相之间的界面匹配度进行模拟计算，辅助验证稀土元素对协同改善合金强度和导电性能确实具有很好的作用。

作者简介

林国建，本文第一作者，昆明理工大学材料科学与工程学院硕士研究生，于2023年6月获得工学硕士学位，现就读合肥工业大学材料科学与工程学术博士，在硕士期间主要从事稀土铝合金的材料制备和性能研究、铝合金半固态流变行为研究和第一性原理计算等工作。在Journal of Materials Research and Technology，Materials Research Express，Journal of Rare Earths等国内外期刊发表论文4篇，受理国家发明专利1项。

李祖来，本文通讯作者，教授/博士生导师，昆明理工大学科学技术院院长。主要从事特种铝合金材料的研发制备，装备制造用耐磨材料及复合材料的成形控制。主持承担国家重点研发计划、国家863、国家自然科学基金、云南省科技强省计划专项、云南重大科技专项计划等共计60余项。在Acta Materialia、Ceramics Inter、WEAR等国内外期刊上发表论文100余篇（其中SCI、EI收录80余篇），出版学术专著2部，授权专利93件，其中授权发明专利61件，共获得省部级及以上奖励6项。