復(fù)合添加微量Er,Y對(duì)Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板組織與力學(xué)性能的影響

李國鋒,張新明,朱航飛

(1中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410083;2中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙410083)

復(fù)合添加微量Er,Y對(duì)Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板組織與力學(xué)性能的影響

李國鋒1,2,張新明1,2,朱航飛1,2

(1中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410083;2中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙410083)

采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、硬度測試和室溫拉伸等分析技術(shù)研究了在A l2Zn2M g2 Cu2Zr合金中復(fù)合添加微量稀土元素Er和Y對(duì)其組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加適量的Er和Y能顯著抑制合金再結(jié)晶,延緩合金峰值時(shí)效的時(shí)間,增強(qiáng)合金時(shí)效強(qiáng)化的效果。在Al2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加總量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Er和Y能使合金軋制板的抗拉強(qiáng)度提高到624.4M Pa,屈服強(qiáng)度達(dá)到602.9M Pa,延伸率達(dá)12.5%,使合金軋制板具有較好的綜合力學(xué)性能。

A l2Zn2M g2Cu2Zr合金;微合金化;組織;力學(xué)性能

微合金化是獲得高強(qiáng)韌鋁合金材料的重要途徑之一[1]。通過微合金化使合金產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的效果。在鋁合金中添加微量的Zr, Sc,Ag和Li等元素形成鋁化合物,能顯著細(xì)化晶粒,抑制合金再結(jié)晶,強(qiáng)化鋁合金基體[2-9]。近幾年國內(nèi)也有學(xué)者從充分利用本國資源出發(fā),開展了采用Er和Y等稀土元素對(duì)鋁合金進(jìn)行微合金化的研究[10-12],通過研究發(fā)現(xiàn),稀土元素Er在A l2M g合金中具有與Zr和Sc相似的作用,能細(xì)化晶粒,顯著提高鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,但延伸率略有下降;Y也能顯著細(xì)化晶粒,減小共晶化合物尺寸,有效改善合金的沖擊韌性。張新民等人研究表明[13],在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加適量的Er和Y能明顯細(xì)化合金的鑄態(tài)組織。本工作在前期研究工作的基礎(chǔ)上,研究了復(fù)合添加微量Er和Y對(duì)合金板材固溶再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、時(shí)效、組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)合金按表1名義成分配制。配料采用高純鋁,工業(yè)純鋅,工業(yè)純鎂,A l2Cu,A l2Zr及A l2Er2Y中間合金,以A l2Ti2B為細(xì)化劑。合金的熔煉在石墨坩堝電阻爐內(nèi)進(jìn)行,熔化溫度780～800℃,精煉溫度730～740℃,鑄造溫度710～720℃,除氣劑采用C2Cl6,在鐵模中鑄造。合金的均勻化處理和時(shí)效處理采用空氣電阻爐,固溶處理采用鹽浴爐。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Nominal chemical composition of the tested alloys(mass fraction/%)

將鑄態(tài)試樣進(jìn)行二級(jí)均勻化處理:隨爐升溫至465℃保溫24h,之后隨爐升溫至475℃保溫4h。隨后經(jīng)預(yù)熱軋至2mm薄板,總變形量達(dá)85%。固溶處理工藝:473℃保溫1h,出爐水冷。時(shí)效處理工藝:先在120℃保溫不同時(shí)間,測出表1中三種合金的時(shí)效硬度曲線,確定其峰值硬度時(shí)效時(shí)間,然后在峰值硬度時(shí)效下測定力學(xué)性能。時(shí)效前試樣在室溫停留時(shí)間小于48h。

薄板試樣經(jīng)固溶和峰值時(shí)效后,使用Graff Seagent試劑腐蝕,在XJP26A型光學(xué)顯微鏡下觀察其再結(jié)晶組織;按GB/T228—2002制作拉伸試樣,在CSS244100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn);在7501渦流電導(dǎo)儀上測量電導(dǎo)率;在HV210B小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上測量硬度。采用TecnaiG220型透射電鏡觀察時(shí)效態(tài)組織;在KYKY22800型掃描電鏡上觀察拉伸斷口。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金板材的時(shí)效硬化曲線

圖1所示為三種合金板材在120℃下測試的時(shí)效硬化曲線。合金1,2,3板材到達(dá)峰值硬度的時(shí)效時(shí)間分別為21,22,24h,可見隨Er和Y含量的增加,板材達(dá)到峰值硬度的時(shí)效時(shí)間延長,且添加Er和Y的板材的峰值硬度明顯高于不含Er和Y的,這說明隨Er和Y復(fù)合添加量的增加,加速了時(shí)效過程,并強(qiáng)化了時(shí)效效果。

圖1 實(shí)驗(yàn)合金的時(shí)效硬度曲線Fig.1 Curves of hardness vs aging time at 120℃fo r the tested alloys

三種合金板材經(jīng)峰值時(shí)效后測定硬度和電導(dǎo)率,結(jié)果如表2所示?？梢?號(hào)合金板的硬度最高,3號(hào)合金板的次之,1號(hào)合金板的最低,但三者的電導(dǎo)率基本沒有什么變化。表明適量的Er和Y對(duì)峰值時(shí)效硬度有明顯影響,但對(duì)峰值時(shí)效態(tài)的電導(dǎo)率影響不大。這可能是因?yàn)橛绊懞辖痣妼?dǎo)率的因素較多,合金的電導(dǎo)率不僅受基體固溶度的影響,更受到基體組織中位錯(cuò)、應(yīng)力場等因素的影響。

表2 實(shí)驗(yàn)合金的峰值時(shí)效硬度與電導(dǎo)率Table 2 Hardness and conductivity of the tested alloys after aging fo r upper2peak hardness

2.2 合金板的再結(jié)晶組織

圖2所示為三種合金板材經(jīng)軋制、固溶、峰值時(shí)效處理后其組織再結(jié)晶情況。由于時(shí)效溫度低,在時(shí)效過程中不可能發(fā)生再結(jié)晶,因此時(shí)效態(tài)的再結(jié)晶組織形貌與固溶態(tài)的再結(jié)晶組織形貌應(yīng)該是一致的,只是時(shí)效態(tài)組織中分布有時(shí)效析出相。由圖2可見,Graff Sargent試劑優(yōu)先腐蝕晶界和亞晶界,未再結(jié)晶部分含有大量亞結(jié)構(gòu)而被腐蝕呈黑色,已經(jīng)再結(jié)晶的組織難以腐蝕而呈白色。經(jīng)觀察和測試可知,未添加Er和Y的1號(hào)合金板再結(jié)晶組織最多,其再結(jié)晶組織體積分?jǐn)?shù)大約為48%;添加了較多的Er和Y的3號(hào)合金板再結(jié)晶組織最少,大約為28%;說明在A l2Zn2M g2Cu2 Zr合金中復(fù)合添加微量的Er和Y能明顯抑制合金再結(jié)晶。

2.3 合金板的時(shí)效態(tài)組織

合金經(jīng)固溶時(shí)效后的金相組織如圖3所示。由圖3可見,未添加Er,Y的1號(hào)合金板未溶第二相很少,再結(jié)晶組織較粗大;復(fù)合添加Er,Y后的2號(hào)合金板未溶第二相增多,再結(jié)晶組織有所細(xì)化;隨Er,Y添加量增加,3號(hào)合金板的未溶第二相最多,而再結(jié)晶組織最細(xì)小。這說明在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加微量的Er,Y有利于細(xì)化合金再結(jié)晶組織,但同時(shí)使合金板材中殘留的第二相化合物增多。根據(jù)文獻(xiàn)[11,14],這些未溶相主要是含Er,Y的稀土化合物,它們主要沿晶界分布,在一定程度上能阻止再結(jié)晶組織的長大。

圖4所示為1號(hào)合金板與3號(hào)合金板經(jīng)峰值時(shí)效后的微觀組織在透射電鏡下的觀察結(jié)果?？梢妰煞N合金的基體組織上均分布有大量的沉淀析出相,1號(hào)合金板中的晶界析出相較粗大,且不連續(xù);3號(hào)合金板中的晶界析出相較細(xì)小,且基本上不連續(xù)。

2.4 合金板的力學(xué)性能

2.4.1 室溫拉伸性能

三種合金板經(jīng)峰值時(shí)效后其組織有明顯差異,因此其力學(xué)性能也不同,在室溫下對(duì)三種合金板進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),其強(qiáng)度和延伸率如表3所示?？梢?號(hào)合金板的抗拉強(qiáng)度比1號(hào)合金板提高了12.8%,屈服強(qiáng)度提高了10.9%,但延伸率降低了15.1%;3號(hào)合金板的抗拉強(qiáng)度比1號(hào)合金板提高了12.4%,屈服強(qiáng)度提高了13.9%,但延伸率降低了30.2%。雖然3號(hào)合金板的延伸率較1號(hào)合金板明顯降低,但仍然達(dá)到了12.5%,說明3號(hào)合金板在大幅度提高了強(qiáng)度的同時(shí)仍保持較高的延伸率。因此,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加適量的Er,Y能使合金具有良好的綜合力學(xué)性能。

圖4 時(shí)效態(tài)合金的微觀組織(a)合金板1;(b)合金板3Fig.4 TEM images of the microstructures of the peak2aged alloy p lates (a)alloy p late 1;(b)alloy p late 3

A lloyσb/M Paσ0.2/M Paδ/% 1 555.5 529.5 17.9 2 626.7 587.3 15.2 3 624.4 602.9 12.5

2.4.2 拉伸斷口形貌

為了比較添加Er,Y前后合金板的拉伸斷口形貌的差異,對(duì)1號(hào)和3號(hào)合金板的拉伸斷口進(jìn)行掃描觀察,結(jié)果如圖5所示?？梢?1號(hào)合金板主要是穿晶韌窩型斷裂,韌窩大且深;而3號(hào)合金板出現(xiàn)沿晶斷裂,穿晶韌窩斷裂的韌窩小且較淺,甚至有少部分沿未再結(jié)晶處斷裂。這說明在合金中復(fù)合添加Er和Y能明顯改變合金的韌性。

圖5 實(shí)驗(yàn)合金的拉伸試樣斷口形貌(a)合金板1;(b)合金板3Fig.5 SEM images of the fracture surfaces of the tested alloys peak2aged (a)alloy plate 1;(b)alloy plate 3

3 分析與討論

3.1 Er,Y微合金化對(duì)合金組織的影響

一般認(rèn)為在鋁合金中添加微量元素主要是為了細(xì)化晶粒,抑制再結(jié)晶,強(qiáng)化鋁合金基體,提高合金耐腐蝕性能,以及穩(wěn)定合金組織提高淬透性等。從圖2來看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加適量的稀土元素Er,Y能明顯地抑制合金再結(jié)晶,而且Er和Y含量越高,這種抑制作用越顯著。這是因?yàn)镋r和Y的原子半徑均大于A l,Zn,M g,Cu,Zr的原子半徑,它們?cè)阡X基體中的最大平衡固溶度分別只有0.05%[15]和0.04%[16];元素的半徑越大、價(jià)電子數(shù)越多,與空位的結(jié)合能就越大。因此,明顯降低了合金的空位濃度,使A l原子的自擴(kuò)散速率減小,阻礙A l原子擴(kuò)散,從而有效地抑制了合金的再結(jié)晶過程。大量未溶入基體的Er,Y元素在晶界偏聚,阻礙晶界的運(yùn)動(dòng)。同時(shí),文獻(xiàn)[13]研究表明,由于Er,Y的加入,一方面在鑄造時(shí)形成了含Er,Y的稀土共晶化合物,這些共晶化合物在均勻化處理后仍有較多殘留,經(jīng)軋制后破碎成細(xì)小顆粒,沿晶界分布,如圖3所示,在合金回復(fù)時(shí)它們能促進(jìn)再結(jié)晶晶粒形核,增加了晶核形核率;另一方面在均勻化處理時(shí)基體中過飽和的Er,Y元素析出,與A l,Cu等元素結(jié)合形成細(xì)小的第二相,在再結(jié)晶過程中能阻止亞晶界遷移和合并,使已形核的再結(jié)晶晶粒難以進(jìn)一步長大。兩方面的綜合作用使得Er,Y在合金中起到了抑制再結(jié)晶、細(xì)化晶粒和提高位錯(cuò)密度的作用。由此可見,在Al2Zn2Mg2Cu2Zr合金中復(fù)合添加適量的Er和Y對(duì)提高合金的強(qiáng)度是非常有利的。

然而,比較2號(hào)和3號(hào)合金板的拉伸力學(xué)性能可知,當(dāng)Er,Y總添加量從0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)增加到0.4%時(shí),抗拉強(qiáng)度變化很小,屈服強(qiáng)度提高了217%,但延伸率降低了17.8%,可見過多地添加Er, Y含量對(duì)力學(xué)性能是不利的。這是因?yàn)镋r,Y含量過高時(shí),合金均勻化后會(huì)殘留太多的金屬間化合物,這些化合物本身斷裂強(qiáng)度低,脆性大,在變形及斷裂過程中起著裂紋源的作用,如圖5(b)所示,而且Er,Y含量增加造成未再結(jié)晶組織增多,位錯(cuò)多,應(yīng)力集中大,也容易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,對(duì)延伸率極為不利,因此Er,Y的添加量應(yīng)保持在合理的水平。

3.2 Er,Y微合金化對(duì)合金時(shí)效強(qiáng)化的影響

從圖1來看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加稀土元素Er,Y明顯推遲了合金時(shí)效到達(dá)峰值硬度的時(shí)間,且添加Er,Y的合金的峰值硬度明顯高于不含Er,Y的合金。這是因?yàn)榧尤隕r,Y元素后,Er和Y原子與合金中的空位結(jié)合能高,容易與空位結(jié)合,使空位濃度減少,加之時(shí)效溫度低,使得原子自擴(kuò)散速率降低,第二相析出速率減慢,所以到達(dá)峰值硬度的時(shí)效時(shí)間延長。與此同時(shí),添加Er,Y后,部分Er和Y以固溶的形式存在于鋁基體中,相對(duì)增加了鋁基體的溶解量,尤其是Y的加入使得Cu和M g在鋁基體的固溶度下降[17],促使M g會(huì)有更多的析出,即允許有更多的第二相M gZn2時(shí)效析出,提高了合金的時(shí)效硬度,增強(qiáng)了合金時(shí)效強(qiáng)化的效果。此外,從圖4也可以看出,3號(hào)合金板比1號(hào)合金板的晶界時(shí)效析出相更細(xì)小,說明由于3號(hào)合金板的時(shí)效析出速率較緩慢,時(shí)效析出相難以長大,使得3號(hào)合金板的強(qiáng)化效果更好。

然而,當(dāng)Er,Y添加量過度增加時(shí),合金均勻化后會(huì)殘留大量的金屬間化合物,使合金經(jīng)固溶處理后基體中Cu和M g的固溶度嚴(yán)重下降,反而會(huì)減少第二相的時(shí)效析出,而且析出的速率會(huì)更加緩慢,因此盡管到達(dá)峰值硬度的時(shí)效時(shí)間被延長,但峰值硬度并不會(huì)增加,反而會(huì)有所降低。所以從這個(gè)意義上來說,也要求Er,Y的添加量應(yīng)保持在合理的水平,不能太高。

4 結(jié)論

(1)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加微量的稀土元素Er,Y能顯著阻礙合金的再結(jié)晶,且適量添加Er,Y抑制合金再結(jié)晶的效果明顯。

(2)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加微量的稀土元素Er,Y延長了合金峰值時(shí)效的時(shí)間,促使合金有更多的第二相時(shí)效析出,增強(qiáng)了合金時(shí)效強(qiáng)化的效果。

(3)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復(fù)合添加適量(總量<0.4%)的稀土元素Er,Y使合金具有較好的綜合力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度達(dá)到624.4M Pa,屈服強(qiáng)度為60219M Pa,延伸率12.5%,明顯超過未添加微量元素的同類合金板的力學(xué)性能。

[1] 尹志民,姜鋒,潘青林,等.鈧、鋯復(fù)合微合金化成份設(shè)計(jì)及作用機(jī)理研究進(jìn)展[A].鋁-21世紀(jì)基礎(chǔ)研究與技術(shù)發(fā)展研究會(huì)論文集[C].長沙:國家“973”項(xiàng)目《提高鋁材質(zhì)量基礎(chǔ)研究》項(xiàng)目組, 2002.302-313.

[2] 賀永東,張新明,陳健美,等.微量Sc和Zr對(duì)7A 55合金鑄錠組織的細(xì)化機(jī)理[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2005,36(6):919-923.

[3] LEE CW,CHUNG Y H,CHO K K,et al.The effect of silver addition on 7055 A l alloy[J].Materials&Design,1997,18 (46):327-332.

[4] 余琨,李松瑞,黎文獻(xiàn),等.微量Sc和Zr對(duì)2618鋁合金再結(jié)晶行為的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),1999,9(4):709-713.

[5] ROKHL IN L L,DOBA TKINA T V,BOCHVAR N R,et al.In2 vestigation of phase equilibria in alloys of the A l2Zn2M g2Cu2Zr2Sc system[J].Journal of Alloys and Compounds,2004,367(1-2): 10-16.

[6] BA IPC,ZHOU T T,L IU P Y,et al.Effectsof lithium addition on p recipitation in Li2containing A l2Zn2Mg2Cu alloy[J].Materials Letters,2004,58(24):3084-3087.

[7] JONESM J,HUMPHREYS F J.Interaction of recrystallization and p recipitation:the effect of Al3Sc on the recrystallization be2 haviour of deformed aluminium[J].Acta Materialia,2003,51 (8):2149-2159.

[8] ZOU L,PAN Q L,HE YB,et al.Effect of minor Sc and Zr ad2 dition on microstructures and mechanical p roperties of Al2Zn2Mg2 Cu alloys[J].Trans Nonferrous Met Soc China,2007,17(2): 340-345.

[9] IWAMURA S,M IURA Y.Loss in coherency and coarsening be2 havior of Al3Sc p recipitates[J].Acta Materialia,2004,52(3): 591-600.

[10] 聶祚仁.稀土鋁合金研究進(jìn)展[A].鋁-21世紀(jì)基礎(chǔ)研究與技術(shù)發(fā)展研究會(huì)論文集[C].長沙:國家“973”項(xiàng)目《提高鋁材質(zhì)量基礎(chǔ)研究》項(xiàng)目組,2002.297-301.

[11] 王慶良,王大慶.稀土釔對(duì)Al2Zn2Mg2Cu合金組織與性能的影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28(4):382-385.

[12] 李慧中,張新明,陳明安,等.釔對(duì)2519鋁合金的組織與性能的影響[J].稀土,2005,26(2):37-40.

[13] 張新民,朱航飛,李國鋒,等.微量Zr,Er和Y對(duì)Al2Zn2Mg2Cu合金鑄態(tài)組織的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,39 (6):1196-1200.

[14] 李云濤,劉志義,夏卿坤,等.Er在Al2Cu2M g2Ag合金中的存在形式及其均勻化工藝[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006, 37(6):1043-1047.

[15] 楊軍軍,聶祚仁,金頭男,等.稀土鉺在Al2Zn2Mg合金中的存在形式與細(xì)化機(jī)理[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2004,14(4):620-625.

[16] 肖亞慶,唐桂林.稀土在6063鋁合金中存在形式和對(duì)組織性能的影響[J].輕合金加工技術(shù),1996,24(11):33-36.

[17] 曾令民,鄭建宣.釔對(duì)Al2Cu2Mg三元系α相區(qū)及硬鋁性能的影響[J].中國稀土學(xué)報(bào),1989,7(4):77-78.

Effects of M inor Er and Y Addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr A lloy on M icrostructures and Mechanical Properties

L IGuo2feng1,2,ZHANG Xin2m ing1,2,ZHU Hang2fei1,2
(1 School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083, China;2 Key Laboratory of Non2Ferrous Metal M aterials Science and Engineering, M inistry of Education,Central South U niversity,Changsha 410083,China)

Effectsof minor Er and Y addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy on themicrostructures and me2 chanical p ropertieswere investigated by meansof op ticalmicroscopy(OM),scanning electron micros2 copy(SEM),transm ission electron m icroscopy(TEM),hardness test and tensile p ropertiesmeasure2 ment.The results indicate thatminor Er and Y addition to the alloy evidently restrains the recrystalli2 zation of the tested alloys,delays the peak aging time and enhances the strengthening effect by aging. When the total addition of Er and Y is 0.4%(mass fraction),theσb,σ0.2andδof the tested alloy are 624.4,602.9M Pa and 12.5%,w hich are greatly imp roved compared w ith the addition2free.

A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy;minor element addition;microstructure;mechanical p roperty

TG166.3

A

100124381(2010)0520078205

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2005CB623700)

2009205211;

2010203210

李國鋒(1962—),男,教授,博士研究生,主要從事鋁合金材料加工研究,聯(lián)系地址:湖南長沙市開福區(qū)洪山路98號(hào)長沙學(xué)院教務(wù)處(410003),E2mail:lgf1008@ccsu.cn