Sc，Zr復(fù)合微合金化對6082鋁合金組織和力學(xué)性能的影響

李 燦，雷 遠

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

Sc，Zr復(fù)合微合金化對6082鋁合金組織和力學(xué)性能的影響

李 燦，雷 遠

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

采用鑄錠冶金法制備了6082鋁合金，并且研究了復(fù)合加入0.1%的Sc和0.1%的Zr元素對6082合金組織及性能的影響．結(jié)果表明：添加微量的Sc和Zr元素可顯著細化鑄態(tài)6082合金的組織，使粗大的枝晶網(wǎng)胞的尺寸減小，且晶粒細小、均勻；合金力學(xué)性能有很大程度的提高，鑄態(tài)抗拉強度可達到213.14 MPa，與未添加Sc和Zr元素合金的強度相比提高了17%；合金的拉伸斷口形貌也得到有效改善，韌窩數(shù)量增多，合金塑性明顯提高．

6082鋁合金；晶粒細化；力學(xué)性能；斷口形貌

Al-Mg-Si系鋁合金作為擠壓、軋制和鍛造用變形鋁合金具有中等強度、優(yōu)異的成型性能、耐腐蝕等特點，與其它系鋁合金相比(如Al-Cu-Mg系和Al-Zn-Mg系鋁合金)，強度雖然略低，但它是可熱處理強化型鋁合金中唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的合金，在建筑、結(jié)構(gòu)工程、運輸領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，其性能的改進和提高一直是冶金界、材料界關(guān)注的問題之一[1]．

6082鋁合金作為Al-Mg-Si系的中強鋁合金，具有良好的耐蝕性能和加工性能，廣泛應(yīng)用于大型焊接結(jié)構(gòu)件、航海用零件及模具加工用坯料等方面，可以用來生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜的擠壓型材[2-3]．在實際生產(chǎn)中，在非平衡凝固過程中6082 鋁合金內(nèi)部會產(chǎn)生各種缺陷，例如偏析、粗晶等，這些缺陷對材料的性能有顯著的影響．微合金化是改善鋁合金性能及開發(fā)新型鋁合金最為重要的手段之一．文獻[4]的研究表明，通過向Al-Mg-Si合金中加入質(zhì)量分數(shù)為0.15%的Zr，就能使得該合金的時效硬度值及力學(xué)性能有一定程度的提高．文獻[5]在6082 鋁合金中添加Er和Y元素 ，并對合金微觀組織及力學(xué)性能的影響進行了研究，得出在6082 鋁合金中復(fù)合添加Er和Y 元素，可以明顯細化晶粒、提高合金力學(xué)性能．到目前為止，Sc元素是人們所發(fā)現(xiàn)的對鋁合金最為有效的合金化元素，它既是一種過渡元素也是一種稀土元素，能使合金的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯的變化，與Al反應(yīng)形成的A13Sc相有很強的熱穩(wěn)定性，在高溫下仍能與基體保持共格關(guān)系．但是單一元素微合金化存在一定的局限性，只有當(dāng)元素含量大于共晶濃度時才能發(fā)揮其有益作用．研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加兩種或兩種以上的微合金化元素可更好地發(fā)揮微合金化元素的作用，同時可減少貴重金屬元素的使用量，從而降低成本，更具有商業(yè)開發(fā)價值[6]．因此，研究工作者在合金中添加微量Sc元素的同時還添加一些其它的過渡族元素，如Zr，Ti，V和Mn等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強化效果更加顯著，尤其是Zr元素的加入，可以置換A13Sc中近50%的Sc元素[7]．

本研究通過在6082合金中添加微量Sc和Zr元素，研究Sc和Zr復(fù)合微合金化對合金組織及性能的影響，為Al-Mg-Si系鋁合金通過復(fù)合微合金化手段提高性能的研究提供參考．

1 實驗材料及方法

1.1 材 料

合金的冶煉原料為高純鋁和高純鎂(純度均為99.99%)，以及中間合金Al-20%Si，Al-20%Mn，Al-50%Cu，Al-10%Sc和Al-10%Zr．表1為實驗用合金的主要化學(xué)成分．

1.2 方 法

首先將石墨坩堝預(yù)熱至400 ℃，然后將純鋁放在坩堝中，升溫至800 ℃，待熔化后加入中間合金Al-Si和Al-Mn，待全部熔化后加精煉劑進行扒渣，之后再迅速加入純鎂及精煉劑進行扒渣，最后加入中間合金Al-10%Sc和Al-10%Zr，待熔化后靜置保溫一段時間，再在水冷銅模中澆鑄成100 mm×50 mm×20 mm的鑄錠．

表1 實驗用合金的主要化學(xué)成分

將鑄態(tài)試樣用金相砂紙預(yù)磨后進行機械拋光，再用0.5%的HF酸進行腐蝕，然后在MR5000型金相顯微鏡下對其進行顯微組織觀察和分析.拉伸實驗在SANS-100KN微型控制電子萬能試驗機上完成，拉伸速度為1 mm/min，每個狀態(tài)測定3個試樣并取平均值.利用SU8020場發(fā)射掃描電鏡，觀察分析合金的顯微組織及斷口形貌．

2 結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖1為兩種合金的顯微組織形貌．從圖1可以看出：6082 鋁合金的枝晶網(wǎng)胞尺寸粗大(圖1(a))，呈現(xiàn)為枝晶和少量等軸晶的混合形態(tài)，晶粒大小不均；加入Sc和Zr元素后(圖1(b))，枝晶間距顯著減小，晶粒相對細小、均勻，形態(tài)多為等軸晶．這是因稀土元素能夠細化晶粒，在鋁及鋁合金中的固溶度極小，能與雜質(zhì)生成金屬間化合物或非金屬化合物，且偏聚在晶界上，加大了過冷度，起到細化晶粒的作用；同時還改變了鋁合金組元Si，F(xiàn)e和Mg的形態(tài)，減少了針狀晶，使球狀晶增加．

2.2 合金的力學(xué)性能

6082和6082-0.1Sc-0.1Zr合金具體的力學(xué)性能列于表2．由表2可知，6082-0.1Sc-0.1Zr合金的平均抗拉強度、屈服強度和延伸率分別比6082合金提高了31 MPa，17 MPa 和3.2%．由此可見，在6082鋁合金中分別加入0.1%的Sc和0.1%的Zr可以明顯提高合金的綜合性能．

圖1 合金的顯微組織形貌 (a) 6082合金；(b) 6082-0.1Sc-0.1Zr合金Fig.1 Microstructure of investigated alloys(a)6082 alloy；(b)6082-0.1Sc-0.1Zr alloy

表2 合金鑄態(tài)力學(xué)性能

Al-Mg-Sc-Zr系相圖研究指出[8-9]，當(dāng)鋁合金中Sc和Zr含量分別大于0.05%時，合金成分位于α(Al)+Al3(Sc，Zr)+Al3(Zr，Sc)三相區(qū)．根據(jù)非均勻形核理論，鑄態(tài)晶粒的細化程度取決于添加劑的兩種作用，即單位熔體中形核粒子數(shù)和粒子的有效形核作用．而粒子的有效形核作用依賴于形核粒子與α(Al)基體的晶格常數(shù)和晶格類型，晶體結(jié)構(gòu)相似是引起晶粒細化的主要原因．Sc和Zr同時添加則可在Sc含量較低的情況下析出三元共格的Al3(Sc，Zr)粒子，其晶格點陣和晶體結(jié)構(gòu)與α(Al)相近，晶格常數(shù)差異為1.5%，成為α(Al)凝固結(jié)晶的晶核．同時含Sc的鋁合金熔體單位體積內(nèi)形成大量Al3(Sc，Zr)粒子，這些粒子具有高效形核作用，使合金晶粒細化，晶粒細化不但可提高材料的強度還可改善材料的塑性和韌性．Al3(Sc，Zr)粒子利用晶界對位錯的阻礙作用，通過細化晶粒來增加晶界或改善晶界性質(zhì)，阻礙位錯運動，從而提高合金的強度和塑性．細晶強化對不能進行熱處理強化或強化效果不大的鑄造鋁合金和變形鋁合金具有特別重要的意義．因此，在工業(yè)生產(chǎn)中通?？偸窃O(shè)法獲得細小而均勻的晶粒組織，使材料具有較好的綜合力學(xué)性能．

2.3 合金的斷口形貌

合金的斷口形貌能很好的表征合金的塑性，一般合金斷口呈現(xiàn)的韌窩越多，代表該合金的塑性越好；韌窩分布越均勻，代表合金塑性變形越協(xié)調(diào)，側(cè)面反映了該合金塑性越好[10]．圖2為鑄態(tài)合金的斷口形貌．從圖2可見：6082鋁合金的拉伸斷口的韌窩數(shù)量較少，且大小分布不均，存在一些撕裂棱，由此可知其塑性不好；加入Sc和Zr元素后，合金拉伸斷口的韌窩數(shù)量增加且變深，表明6082-0.1Sc-0.1Zr合金的塑性得到改善，這與表2中數(shù)據(jù)所表達的結(jié)論是一致的．

圖2 鑄態(tài)合金斷口掃描圖(a)6082合金；(b)6082-0.1Sc-0.1Zr合金Fig.2 The fracture morphology SEM images of cast ingots(a)6082 alloy；(b)6082-0.1Sc-0.1Zr alloy

3 結(jié) 論

在6082鋁合金中復(fù)合添加Sc和Zr元素，使合金的微觀組織得到改善，能有效地細化鑄態(tài)合金的晶粒，改善合金的力學(xué)性能．相較于未添加Sc和Zr元素的6082鋁合金，6082-0.1Sc-0.1Zr合金的拉伸斷口呈現(xiàn)的韌窩數(shù)量顯著增多，且分布較為均勻，合金的塑性得到提高．

[1] 呂昌略. 微合金化及熱軋工藝對鋁硅鎂基型材組織和性能的影響[D]．南京：東南大學(xué), 2015.

[2] 沈?qū)?，何建賢，李春流，等．雙級時效對6082型材性能的影響[J]．熱加工工藝，2014(18)：166-168．

[3] 馬英義，宛亞坤．6082鋁合金熱軋工藝研究[J]．輕合金加工技術(shù)，2000，28(6)：11-12．

[4] 金曼, 孫保良, 邵光杰. 添加鋯對Al-Mg-Si合金時效組織和性能的影響[J].機械工程材料, 2006, 30(4):60-63.

[5] 錢煒, 張振亞, 王曉璐,等. 鉺、釔對6082鋁合金性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國稀土學(xué)報, 2016, 34(5)：592-599.

[6] 張福豹, 許曉靜, 羅勇,等. 6×××系鋁合金微合金化的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報, 2012(s1)：384-388.

[7] 張福豹. 6013型鋁合金的微合金化與性能初步研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2011.

[8] ZENG Fanhao，XIA Changqing，GU Yi.The 430 ℃ isothermal section of the Al-4Mg-Sc-Zr quaternary system in the Al-rich range[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2004,363(1/2): 175-181.

[9] XIA Changqing，ZENG Fan-hao，GU Yi. Phase relations ofAl-4Mg-Sc-Zr quaternary system in Al-rich range at 430 ℃[J].Trans Nonferrous Met Soc China, 2003, 13 (3): 546-552.

[10] WU Yue，CHEN Wenlin. Effect of microalloying of Sc on microstructure and properties of Al-Mg-Si-Cu alloys[J].Journal of Plasticity Engineering，2015，22(3)：70-75.

EffectofScandZradditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesof6082alloys

LI Can，LEI Yuan
SchoolofMaterialScienceandEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China

The 6082 aluminum alloys were prepared by ingot-metallurgy method. The effects of 0.1% Sc and 0.1% Zr(mass fraction) additions on microstructure，mechanical properties in 6082 alloy were investigated．The results show that by adding Sc and Zr in the cast alloy，the grains can be refined to a certain degree．The tensile test results show that additions of Sc and Zr resulted in increasing tensile strength，which can reach 213.14 MPa，and compared with the alloy without Sc and Zr additions，the strength increases by 17% in the 6082-0.1Sc-0.1Zr alloy．Besides，the tensile fracture morphology of the alloy has been improved effectively and the plasticity has been improved obviously with increasing number of dimples．

6082 alloy；grain refining；mechanical property；fracture morphology

TG146.2

: A

2017-08-06

李燦(1994-)，女，安徽合肥人，碩士研究生.

1673-9981(2017)03-0153-04