鋁鋅鎂銅鋯鈧合金型材的組織和性能

王少華，馬志鋒，劉 惠，張顯峰，孫 剛，馮朝輝，李 偉，陸 政

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

鋁鋅鎂銅系高強(qiáng)鋁合金具有高的強(qiáng)韌匹配性能、良好的熱加工性能（適于軋制、擠壓和鍛造），是航空航天和交通領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料之一［1－3］。添加微量元素是提高鋁合金性能的有效途徑，也是新型合金發(fā)展的研究熱點(diǎn)。1943年，美國科學(xué)家在鋁鋅鎂銅合金中添加少量的鉻元素，成功地研制出7075鋁合金，成為了第一個(gè)可以應(yīng)用于實(shí)際的7000系鋁合金［4］。1971年，美國在7075合金的基礎(chǔ)上調(diào)整了主元素含量，同時(shí)用元素鋯代替了鉻，顯著降低了合金的淬火敏感性，有效細(xì)化了合金的晶粒尺寸，開發(fā)出了強(qiáng)度、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能等均較好的7050合金［5］。研究表明，鋁合金中加入微量鈧形成LI2型Al3Sc相的晶格常數(shù)與鋁基體相近，可以有效地細(xì)化晶粒，具有強(qiáng)烈的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)［6］。大量研究表明［7－11］，鈧和鋯同時(shí)加入到鋁合金中形成的Al3（Sc，Zr）相是以Al3Sc相為基的置換固溶體，鈧和鋯相互置換，晶格類型和晶格常數(shù)變化小，在高溫條件下不易長大。文獻(xiàn)［12－14］報(bào)道，在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.5%的合金中添加鈧時(shí)，合金中可能形成含鋁，銅和鈧的 W相（ScCu6.6～4Al5.4～8）。該相在鋁熔體凝固過程中形成，且在隨后的冷熱加工和熱處理過程中均不溶解，會(huì)影響合金的性能，不利于發(fā)揮鈧的潛在優(yōu)勢。

鋁鋅鎂銅鋯合金是一種新的高強(qiáng)鋁合金，該合金中鋅含量較高，但是銅和鎂的含量較低。因此，該合金具有較高強(qiáng)度，同時(shí)擁有優(yōu)于同系列合金的斷裂韌性和淬透性。為了進(jìn)一步提升該合金的綜合性能，挖掘合金元素的潛力，作者嘗試在該合金中添加了微量的鈧元素，采用擠壓變形方式制備了合金型材，對其進(jìn)行了雙級時(shí)效處理，并分析了合金的組織和性能以及鈧元素的存在形式，為該新型高強(qiáng)鋁合金的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2.5 mm厚的鋁鋅鎂銅鋯合金型材（基體合金，以下簡稱合金1）與加鈧微合金化后的合金（以下簡稱合金2），其化學(xué)成分見表1。將兩種合金采用相同的熔煉和半連續(xù)鑄造工藝制備成φ126 mm圓錠，經(jīng)過均勻化處理后車外圓，得到φ110 mm×400 mm的擠壓坯料，再經(jīng)擠壓得到2.5 mm厚的合金型材。兩種合金的擠壓工藝相同，擠壓前在430℃下保溫4 h，擠壓溫度400～420℃，出口速度為 0.8 ～1.2 m·min－1，擠壓比25∶1。合金型材經(jīng)470℃ ×2 h固溶、室溫水淬后，再進(jìn)行120℃ ×4 h+165℃ ×8 h的雙級時(shí)效處理。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chem ical compositions of the test alloys（mass）%

圖2 鑄態(tài)合金的EBSD形貌Fig.2 The EBSD morphology of cast alloys:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

兩種合金時(shí)效后在WDW-100 kN型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程按照HB 5143－1996的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，結(jié)果取2次測量的平均值，拉伸試樣沿?cái)D壓方向截取，試樣尺寸如圖1所示。在拉伸試樣的夾持部位截取金相試樣，先經(jīng)粗磨、細(xì)磨和機(jī)械拋光，再采用混合酸——?jiǎng)P氏溶液（95%H2O、1.5%HCl、1%HF 和 2.5%HNO3組成，體積分?jǐn)?shù)）腐蝕后，直接在萊卡MEFS型多功能光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。電導(dǎo)率測試在SIGMASCOPE SMP10型電導(dǎo)儀上進(jìn)行，測試前先用標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行校準(zhǔn)，取3次測試的平均值。第二相及成分分析在JSMM5600LN型掃描電鏡（SEM）上進(jìn)行。合金時(shí)效后沉淀相的析出情況在JEM-2010型透射電鏡（TEM）上觀察，加速電壓為200 kV。采用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)分析合金型材的晶粒大小、晶粒取向及再結(jié)晶情況，背散射電子衍射分析在LEO-1450掃描電鏡配備的Channel 4（EBSD）系統(tǒng)上進(jìn)行，分析時(shí)采用的步長是0.6μm，范圍為300μm×200 μm。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimension of tensile sam p le

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出，合金1鑄錠的晶粒形貌為近等軸狀，晶粒大小不一，平均尺寸為60～70μm;合金2鑄錠的晶粒尺寸明顯比合金1鑄錠的細(xì)小，而且為尺寸均一的等軸晶粒，晶粒平均尺寸為35～40μm，說明鈧可以有效地細(xì)化合金鑄態(tài)晶粒。

從圖3可以看到，在合金2鑄態(tài)組織中，晶內(nèi)分散著許多方形的粒子，尺寸約為10μm;經(jīng)過固溶處理后，晶界處仍有少量的白色第二相存在，而且鑄態(tài)組織中存在的方形粒子也未溶解，尺寸與鑄態(tài)時(shí)相當(dāng)。圖3中標(biāo)記A和B的方形粒子的EDS分析結(jié)果如表2所示，表明該粒子為合金凝固過程中形成的 Al3（Sc，Zr）第二相粒子［9］。

圖3 合金2中第二相的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of second phases in alloy 2:（a）as-cast state and（b）after solution treatment

表2 圖3中第二相的EDS分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)）Tab.2 The EDS analysis resu lt of the second phases in Fig.3（atom） %

從圖4可以看出，合金1的晶粒沿?cái)D壓方向（L向）呈明顯的纖維狀，橫向（LT向）的晶粒尺寸有所增大，但仍為拉長的組織，只是發(fā)生了部分的回復(fù)再結(jié)晶和晶粒長大;合金2晶粒沿?cái)D壓方向（L向）呈明顯的纖維狀，橫向（LT向）的晶粒尺寸細(xì)小，仍為拉長的平行組織，未發(fā)現(xiàn)明顯的回復(fù)再結(jié)晶。

圖4 試驗(yàn)合金固溶后的三維光學(xué)形貌Fig.4 Three-dimensional OMmorphology of test alloy after solution treatment:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

2.2 TEM形貌

從圖5可以看出，合金1晶內(nèi)存在棒狀和圓形兩種形態(tài)的沉淀相，而且主要以圓形的沉淀相為主，尺寸多集中在10～20 nm;〈001〉A(chǔ)l帶軸下可以清晰地發(fā)現(xiàn)在1/3{220}、2/3{220}的位置出現(xiàn)了η＇（η）相的衍射花樣，晶內(nèi)沉淀相主要為與基體半共格的η＇相和非共格的η相，并且η相數(shù)量居多［15］。合金2晶內(nèi)η＇相和η相的尺寸和數(shù)量與合金1晶內(nèi)的基本一致，晶內(nèi)大量分布著 Al3（Sc，Zr）粒子［16］，尺寸為20～50 nm，該粒子在后續(xù)的熱處理過程中，可以有效地抑制合金的回復(fù)再結(jié)晶行為。

從圖6可以看出，經(jīng)雙級時(shí)效后合金1晶界沉淀相粗化嚴(yán)重，呈圓形且沿著晶界斷續(xù)分布，晶界附近存在明顯的晶界無析出帶（PFZ），過時(shí)效現(xiàn)象明顯;合金2晶界處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶界無析出帶，而且晶界上沉淀相沒有明顯的粗化現(xiàn)象，說明鈧能有效抑制晶界無析出帶形成和沉淀相的粗化。

另外，合金2在熱處理后還發(fā)現(xiàn)了一種不常見的第二相粒子，該相的TEM形貌和EDS分析結(jié)果如圖7所示。為了確定這種第二相的元素組成，對該相做主元素的區(qū)域面掃描，結(jié)果如圖8所示。綜合以上分析結(jié)果，可以確定該相的主要組成元素為鋁、銅和鈧，而鋅和鎂只是部分固溶的元素。根據(jù)文獻(xiàn)［12－14］和鋁-銅-鈧?cè)鄨D推測該相為W相（ScxCuyAlz）。W相在鋁熔體凝固過程中形成，在隨后的冷熱加工和熱處理過程中均不溶解，會(huì)對合金的性能產(chǎn)生不利的影響。

圖5 試驗(yàn)合金雙級時(shí)效后晶內(nèi)TEM形貌和選區(qū)電子衍射圖Fig.5 TEMmorphology and SAD patterns in grains of test alloys after two-step aging treatment:（a）alloy 1，〈001〉SADP;（b）alloy 2，〈001〉SADP and（c）alloy 2，Al3（Sc，Zr）

圖6 試驗(yàn)合金雙級時(shí)效后晶界的TEM形貌Fig.6 TEMmorphology of grain boundaries of test alloys after two-step aging treatment:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

2.3 晶粒取向

圖7 合金2中第二相的TEM形貌和EDS譜Fig.7 TEMmorphology（a）and EDS analysis（b）of second phase in alloy 2

從圖9可見，合金1的晶粒由纖維狀和許多小尺寸的近等軸晶粒組成，而且纖維狀晶粒的尺寸也較大;合金1的晶界上發(fā)生了比較明顯的再結(jié)晶，在拉長的晶粒之間存在許多小尺寸的近等軸晶粒。合金2的晶粒特別細(xì)小，無論是晶粒的長度還是寬度都比合金1的小;晶粒形狀基本都是拉長的纖維狀，整個(gè)觀察區(qū)域內(nèi)的晶粒數(shù)量多且尺寸細(xì)小，很好地保持了固溶處理前的擠壓態(tài)組織，合金中僅發(fā)生了很少量的再結(jié)晶，說明鈧可以有效抑制變形合金的回復(fù)再結(jié)晶行為。這主要是因?yàn)殁偟募尤?，首先在合金中生成了初生的Al3（Sc，Zr）相，在合金凝固過程中它作為異質(zhì)形核核心，顯著細(xì)化了鑄態(tài)組織。在均勻化處理過程中，合金中會(huì)析出尺寸為20～50 nm的二次Al3（Sc，Zr）相，該相在高溫下可以穩(wěn)定存在且不易長大，有效地釘扎晶界和亞晶界，阻止了晶粒的長大。

2.4 拉伸性能

從表3可以看出，加入鈧后的合金2在伸長率和電導(dǎo)率相當(dāng)?shù)那闆r下，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比未添加鈧的合金1分別提高了4.5%和4.7%。

圖8 合金2中第二相的主元素面掃描結(jié)果Fig.8 Area scanning of themajor elements com posing second phase in alloy 2

圖9 試驗(yàn)合金橫向截面的EBSD晶粒圖和晶界圖Fig.9 EBSD maps of grain and grain boundary morphology on transverse section of test alloy:（a）alloy 1，grain;（b）alloy 1，grain boundary;（c）alloy 2，grain and（d）alloy2，grain boundary

表3 試驗(yàn)合金雙級時(shí)效后的拉伸性能和電導(dǎo)率Tab.3 Tensile properties and electrical conductivity of test alloys after two-step aging treatment

通過前面的試驗(yàn)結(jié)果可知，鈧能提高合金強(qiáng)度的原因可以歸納為以下幾個(gè)方面。第一，初生的Al3（Sc，Zr）相顯著細(xì)化了鑄態(tài)合金的晶粒，為合金以后的變形和熱處理提供了比較好的組織基礎(chǔ)。第二，在均勻化過程中大量析出均勻細(xì)小的次生Al3（Sc，Zr）相可以有效釘扎位錯(cuò)和（亞）晶界，阻礙合金變形后熱處理過程的晶粒長大和回復(fù)再結(jié)晶，較好地保持了合金拉長的纖維狀組織;小尺寸的晶粒對提高合金的強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)能力也有很大好處，這 也 符 合 Hall-Petch 理 論［17］。 第 三，Al3（Sc，Zr）粒子在變形過程中不能被位錯(cuò)切過，可以有效減少位錯(cuò)在晶界或者特定區(qū)域的堆積幾率，以免造成應(yīng)力集中而影響合金的強(qiáng)度和韌性。第四，雖然沒有直接證據(jù)證明鈧的加入可以促進(jìn)合金晶內(nèi)沉淀相的析出，但是可以有效地抑制晶界無析出帶的出現(xiàn)和沉淀相的粗化，對合金的強(qiáng)度和韌性有利。另外，關(guān)于合金中觀察到的 W相（ScxCuyAlz）對合金性能的影響有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）鋁鋅鎂銅鋯合金型材雙級時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度為 540 MPa，屈服強(qiáng)度為 507 MPa，伸長率為11.1%，電導(dǎo)率為41.7%IACS;在合金中添加微量元素鈧后，合金型材在伸長率和電導(dǎo)率相當(dāng)?shù)那闆r下，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了4.5%和4.7%。

（2）在鋁鋅鎂銅鋯鈧合金型材中，元素鈧主要以Al3（Sc，Zr）相形式存在，可以顯著細(xì)化合金的鑄態(tài)、擠壓態(tài)組織以及阻礙合金的回復(fù)再結(jié)晶，并且有效抑制晶界無析出帶的出現(xiàn)和晶界沉淀相的粗化;另外，在合金中發(fā)現(xiàn)了由鋁、銅和鈧?cè)N元素形成的W相。

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