微量Cu元素對Al-Zn-Mg-Cu合金組織性能的影響*

杜勛貴，尤俊華，曲迎東，周 楠，王順成

1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽110870；2廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州510650

鋁合金具有密度小、耐腐蝕、易回收利用等優(yōu)點，在交通運輸工具上的應(yīng)用日益擴大.采用高強度鋁合金制造大型結(jié)構(gòu)件是實現(xiàn)交通運輸工具輕量化的有效措施[1-3].Al-Zn-Mg合金是可熱處理強化的中高強鋁合金，具有優(yōu)良的焊接性能、抗彈性能和較好的擠壓加工性能，代表性牌號有7003和7005鋁合金[4].現(xiàn)有牌號的Al-Zn-Mg合金的強度偏低，難以滿足交通運輸工具大型結(jié)構(gòu)件對鋁合金強度的要求.Al-Zn-Mg-Cu合金屬于超高強度鋁合金，代表性牌號有7050，7075和7085鋁合金，但現(xiàn)有牌號的Al-Zn-Mg-Cu合金由于Zn，Mg含量較高，特別是加入了大量Cu，雖然提高了合金的強度和抗應(yīng)力腐蝕性能，但也嚴重損害了合金的焊接性能，無法滿足大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝要求[5].為了滿足交通運輸工具大型結(jié)構(gòu)件對高強可焊鋁合金的需求，本文在Al-Zn-Mg合金的基礎(chǔ)上添加微量Cu元素，研究了微量Cu元素對Al-Zn-Mg-Cu合金顯微組織與力學(xué)性能的影響.

1 試驗材料與方法

試驗材料為Al-Zn-Mg合金，該合金是以質(zhì)量分數(shù)99.85%鋁錠、99.95%鎂錠、99.9%鋅錠經(jīng)熔煉而成.經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，該合金的元素質(zhì)量分數(shù)為：Zn 6.01%，Mg 1.12%，Si 0.075%，F(xiàn)e 0.089%，余量為Al.

實驗設(shè)備為200 kg熔鋁爐和半連續(xù)鑄造機.在熔鋁爐內(nèi)于760 ℃加熱熔化Al-Zn-Mg合金，分別添加0，1%，2%和3%的Al-20Cu合金(對應(yīng)Al-Zn-Mg合金中的Cu質(zhì)量分數(shù)分別為0，0.2%，0.4%，0.6%)，再加入質(zhì)量分數(shù)0.2%的Al-5Ti-1B合金桿進行晶粒細化處理，經(jīng)精煉除氣除渣和靜置保溫30 min后，將合金液半連續(xù)鑄造成直徑100 mm的Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒.

在25 kW箱式電阻爐內(nèi)將Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒加熱至420 ℃保溫2 h，再升溫至 460 ℃繼續(xù)保溫24 h進行均勻化處理，然后用水霧強制冷至室溫.將合金圓棒表面去皮后加熱到420 ℃，在630 t擠壓機上擠壓成寬60 mm、厚6 mm的Al-Zn-Mg-Cu合金板材，擠壓模具溫度為400 ℃，擠壓比為20∶1，擠壓速率為1.2 m/min.將合金擠壓板材在470 ℃固溶處理2 h，水淬后，在130 ℃人工時效24 h，最后隨爐冷卻到室溫.

在Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒和擠壓板材上分別取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光后，用體積分數(shù)2.5%HNO3+1.5%HCL+1%HF的混合酸水溶液腐蝕，用LEICA-DMI3000M金相顯微鏡進行觀察.分別用JEOLJXA-8100型掃描電鏡電子探針和DMAX-RC型X-射線衍射儀對擠壓板材試樣的物相進行分析.在固溶時效處理后的合金擠壓板材上沿擠壓方向取樣，并加工成拉伸試樣, 在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示.

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸 Fig.1 Shape and size of tensile test sample

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為Cu含量不同的Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒的顯微組織.從圖2可看到，Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒的顯微組織主要由α-Al枝晶晶粒和晶間共晶相組成.圖2(a)顯示，未加Cu元素時，Al-Zn-Mg合金圓棒的α-Al枝晶尺寸較為粗大.這是由于晶間共晶組織的數(shù)量相對較少，導(dǎo)致晶界較為細小且不連續(xù).從圖2(a)～2(d)可看到，隨著Cu含量的增加，Al-Zn-Mg-Cu合金的α-Al枝晶尺寸略有減小.這是由于晶間共晶組織的數(shù)量增多，導(dǎo)致晶間變寬并形成連續(xù)網(wǎng)狀.Al-Zn-Mg-Cu合金半連續(xù)鑄造的凝固過程屬于非平衡凝固過程，當合金液冷卻到液相線溫度以下時，α-Al晶核首先從合金液中析出，然后Al原子不斷向α-Al晶核表面沉積，α-Al晶核開始以樹枝狀方式不斷凝固并長大成α-Al枝晶晶粒.隨著合金液的持續(xù)凝固，液相成分發(fā)生變化，固液界面前沿的溶質(zhì)元素Zn，Mg，Cu不斷向殘留液相擴散富集，并在液相和固相內(nèi)造成成分梯度，引起擴散現(xiàn)象和溶質(zhì)再分配.當溫度降低到合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度時，α-Al枝晶晶間的液相開始發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在晶界上逐漸析出由MgZn2，AlZnMgCu和Al2CuMg相共同構(gòu)成的多元非平衡共晶組織[6-7].

圖2 Cu含量不同的Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒的顯微組織Fig.2 Microstructure of Al-Zn-Mg-Cu alloy round bar with different Cu content(a)不含銅；(b)0.2%Cu；(c)0.4% Cu；(d)0.6% Cu

圖3為Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓板材的顯微組織.從圖3可看到，Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒經(jīng)均勻化處理和擠壓成形后，α-Al枝晶和晶間連續(xù)網(wǎng)狀共晶組織已消失，未完全溶解的共晶相MgZn2，AlZnMgCu和Al2CuMg彌散分布在鋁基體上.隨著Cu含量的增加，鋁基體上分布的彌散相的數(shù)量也越多.Al-Zn-Mg-Cu合金圓棒經(jīng)過高溫均勻化處理后，部分晶界非平衡共晶相MgZn2，AlZnMgCu和Al2CuMg得到溶解，Zn，Mg，Cu元素溶入到鋁基體中，消除了枝晶成分的微觀偏析和鑄棒的殘余應(yīng)力，提高了合金的塑性，改善了合金的擠壓性能[8].

圖3 不同Cu含量Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓板材的顯微組織Fig.3 Microstructure of as-extruded Al-Zn-Mg-Cu alloy with different Cu content (a)不含銅；(b)0.2%Cu；(c)0.4% Cu；(d)0.6% Cu

圖4為Cu質(zhì)量分數(shù)0.6%的Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的XRD圖譜.圖4顯示，Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的顯微組織由α-Al，MgZn2和Al2CuMg相組成，未發(fā)現(xiàn)AlZnMgCu四元非平衡共晶相的衍射峰.文獻[6]認為AlZnMgCu四元非平衡共晶相具有MgZn2晶體結(jié)構(gòu)，圖4 XRD譜中MgZn2相對應(yīng)位置的衍射峰，包含具有和MgZn2相結(jié)構(gòu)相同的AlZnMgCu相的衍射峰.

圖5為Cu質(zhì)量分數(shù)0.6%的Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織圖.圖5(a)顯示，條帶狀物為AlZnMgCu相，粗大塊狀物為Al2CuMg相.圖5(b)顯示，彌散分布在α-Al基體上的細小片狀物為MgZn2相.

圖4 Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的X射線衍射圖譜Fig.4 X ray diffraction pattern of as-extruded Al-Zn-Mg-Cu alloy

圖5 Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的掃描電鏡顯微組織Fig.5 Scanning electron microscope microstructure of as-extruded Al-Zn-Mg-Cu alloy

2.2 力學(xué)性能

圖6為固溶時效處理后Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的拉伸力學(xué)性能隨Cu含量變化的關(guān)系曲線.由圖6(a)可知，隨著Cu含量逐漸增加，合金擠壓材的抗拉強度逐漸升高，但上升速率逐漸下降.由圖6(b)可知，隨著Cu含量逐漸增加，合金擠壓材的伸長率先增后減；當Cu質(zhì)量分數(shù)達0.4%時，伸長率達到最大值.未添加Cu元素的Al-Zn-Mg合金擠壓材的抗拉強度為387.2 MPa，伸長率為14.5%.當添加Cu質(zhì)量分數(shù)達0.6%時，Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的抗拉強度為439.4 MPa，伸長率為15.9%，其抗拉強度和伸長率分別比未添加Cu時提高了13.5%和9.7%.

Al-Zn-Mg合金是時效強化型合金，通過固溶處理，合金元素Zn和Mg溶入到鋁基體中形成過飽和固溶體，并通過淬火將固溶體組織穩(wěn)定下來.在隨后的時效過程中，溶質(zhì)原子有一個脫溶析出過程，其脫溶序列為GP區(qū)→η′相→η相.GP區(qū)是Mg和Zn原子在Al基體中某一晶面上偏聚形成的原子偏聚區(qū)，與Al基體完全共格，對合金能起到強化作用，但強化作用沒有η′相明顯.η′相是MgZn2的過渡相，與鋁基體呈半共格關(guān)系.在合金塑性變形時，能強烈阻礙位錯運動，增強合金的強度.η相是MgZn2的平衡相，其尺寸粗大且與鋁基體呈非共格關(guān)系，基本沒有強化效果[9-10].由此可見，Al-Zn-Mg合金的時效強化效果主要取決于GP區(qū)和η′相.當在Al-Zn-Mg合金基礎(chǔ)上添加Cu元素后，首先Cu元素本身可固溶到鋁基體中起到固溶強化作用，提高Al-Zn-Mg合金的強度；其次添加Cu元素還可以提高MgZn2沉淀相的彌散度，進一步提高Al-Zn-Mg合金的強度.但隨著Cu含量的增加，也會增加Al2CuMg和Al7Cu2Fe金屬間化合物的生成，Al7Cu2Fe金屬間化合物是脆性相[11]，其塑性變形時與鋁基體的變化速率不一致，容易導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為斷裂的裂紋源和裂紋擴展方向，反而使合金的塑性下降.因此，在Al-Zn-Mg合金中只能添加適量的Cu元素.

圖6 Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材拉伸力學(xué)性能與Cu含量之間的關(guān)系(a)抗拉強度；(b)伸長率Fig.6 Curves of tensile mechanical properties of as-extruded Al-Zn-Mg-Cu alloy with the change of content(a)tensile strength；(b) elongation

3 結(jié) 論

Al-Zn-Mg-Cu合金鑄態(tài)組織是由α-Al枝晶和晶間非平衡共晶相組成，經(jīng)均勻化處理和擠壓后，共晶相彌散分布在鋁基體上.隨著Cu含量的增加，Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓材的抗拉強度逐漸升高，伸長率先增后減；當Cu質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，伸長率達到最大值.當Cu質(zhì)量分數(shù)達0.6%時，合金擠壓材的抗拉強度為439.4 MPa，伸長率為15.9%，與未添加Cu元素擠壓材相比，其抗拉強度和伸長率分別提高了13.5%和9.7%.