稀土是化学性质较活泼的金属元素,能与许多元素发生作用。近年来,有关利用稀土元素脱气除杂、改变显微结构、提高机械加工性能、耐腐蚀和耐磨性能方面的研究报道很多,但对于铝含量大于10%的铝青铜中的合金元素与稀土元素的相互作用并不十分清楚,还有待深入研究。因此,研究选用稀土元素Ce为添加元素,研究其在多元铝青铜合金粉体材料涂层中的微观组织结构及分布。
不含Ce的熔覆层中黑色强化相分布于白色基体中,且比较粗大,呈树枝状和块状;而含Ce的熔覆层中黑色强化相明显增多,且细小而均匀。
通过对涂层金相组织观察,发现加入了Ce的涂层中,晶粒明显得到了细化,并且分布均匀。通常,铜合金的晶粒细化方式有2种。一种是添加外来的形核剂,增加孕育形核的数量:另外一种是在金属液凝固过程中,添加能形成较大成分过冷的溶质元素。Ce元素在铜合金中几乎没有固溶度,Ce作为溶质元素在合金凝固过程中富集到固/液界面前沿,产生了较大的成分过冷,使得溶质原子的扩散率降低,阻碍了已有晶粒的长大,促进形核,从而细化铜合金晶粒。微观电子结构方面,Ce原子的4f电子对原子核的封闭不严,其屏蔽系数要比主量子数相同的其他内电子略小,显示较大的有效核电荷。因此,稀土Ce原子对其周围电子有较强的吸附能力,可以与铜合金中的元素及杂质形成化合物,从而细化组织,净化基体,使晶粒均匀分布。
Ce属于轻稀土元素,除了三价的特征价态外,Ce的4f轨道中比稳定态多一个电子,为趋于稳定态,易失去一个电子成为正四价。Ce的原子半径比铜大很多,晶格类型也不相同,所以稀土Ce在铜中几乎没有固溶度。一般认为为了减小系统的自由能,固溶度越小的体系,固溶原子越容易偏聚于晶界,所以一般来说,稀土原子大多数分布在晶界上,也有少部分分布在晶粒内。大部分稀土化合物呈白色亮点状清晰地分布在晶界附近。
由研究了解了多元铝青铜合金粉体材料熔覆层组织的化合物组成.随着Ce的加入,在晶界处富集并形成另外两相。在制备涂层时的凝固期间,由于Ce在晶界处富集,阻碍了晶粒的长大,有效地细化了晶粒并使其均匀分布。(欣然)