合金化與熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu合金組織和性能的影響

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(1.廣西大學(xué)行健文理學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西大學(xué)廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西南寧530004；4.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西南寧530004)

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu系合金具有強(qiáng)度、硬度高，焊接性能、加工性能良好等優(yōu)點(diǎn)，是航空、航天軌道交通等領(lǐng)域的首選材料[1-2]。但是隨著工業(yè)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金提出了更嚴(yán)苛的要求[3-4]，該系合金在應(yīng)用中逐漸暴露出諸多不足，如斷裂韌性較低、縱向橫向強(qiáng)度有很大差異、抗應(yīng)力腐蝕能力較差，這些問(wèn)題很大程度上阻礙了該合金材料的廣泛使用[5]。因此，材料科研工作者則致力于研究出高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、耐腐蝕等高綜合性能的Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金。合金化與熱處理是提高合金材料行之有效的途徑，通過(guò)向合金中加入一種或多種微合金化元素通常能在一定程度上提升材料的性能[6-8]，且經(jīng)過(guò)熱處理后的合金一般均能大幅度提高合金的綜合性能，通過(guò)均勻化處理，能夠在一定程度上消除晶間偏析，從而使材料的組織和性能得到改善；經(jīng)過(guò)固溶、時(shí)效熱處理后，使過(guò)飽和固溶體分解析出第二相粒子，進(jìn)而提高合金的性能。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)，Sc的添加能夠細(xì)化晶粒尺寸和粗大的二次相，這是因?yàn)樵诰Ы缁蛘咂涓浇纬搔?MgZn2和 Al3(Sc, Zr)相雜化的結(jié)構(gòu)。他們還推斷出在凝固的過(guò)程中主要的Al3(Sc, Zr)顆粒作為η-MgZn2相形核。隨著Sc含量的增加，晶界中連續(xù)的二次相逐漸轉(zhuǎn)化為細(xì)小的不連續(xù)顆粒相，是合金拉伸強(qiáng)度和延伸率提升的關(guān)鍵所在。

稀土Ho元素能夠凈化晶界和細(xì)化基體組織[10]；Zr元素可以細(xì)化晶粒，同時(shí)有一定的除氣凈化作用[11]。雖然Zr在鋁合金中的作用研究已有大量的研究，但國(guó)內(nèi)外研究在Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金中同時(shí)添加稀土Ho與Zr，研究合金化與熱處理對(duì)合金的影響尚少。

本文以Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金為研究對(duì)象，在合金中分別加入含量為0.1 %、0.2 %、0.3 %和0.4 %的Zr，考查合金鑄態(tài)、均勻化、固溶后時(shí)效三種狀態(tài)后組織與性能。對(duì)合金進(jìn)行了拉伸和硬度試驗(yàn)、導(dǎo)電率測(cè)試、金相顯微鏡觀察、掃描電鏡觀察及能譜分析等，探討稀土Ho和Zr合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu合金的組織和性能的影響，建立合金成分—熱處理—性能之間的關(guān)系，為該系列合金的后續(xù)研究提供一定參考和借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

本次實(shí)驗(yàn)所用原料為純Al、Al-20 %Zn、Al-20 %Mg 、Al-50 %Cu、Al-10 %Zr和Al-30 %Ho，按重量百分比配制Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金，然后在Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金基礎(chǔ)上分別加入0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %的Zr，從而制備出五種不同成分的試樣合金，分別命名為1#、2#、3#、4#和5#合金。

先將純Al、Al-20 %Zn、Al-20 %Mg 、Al-50 %Cu、Al-10 %Zr和Al-30 %Ho加工成小塊樣，經(jīng)過(guò)清理、清潔熔煉爐爐膛和坩堝→熔煉爐預(yù)熱→工具刷涂及預(yù)熱→爐料、覆蓋劑和精煉劑預(yù)熱→熔煉→精煉→澆鑄→冷卻開(kāi)模等熔鑄工藝，制備出試樣合金。各合金經(jīng)過(guò)460 ℃/2 h隨爐空冷均勻處理，470 ℃/2 h水淬+120 ℃/24 h空冷時(shí)效處理。

1.2 試驗(yàn)研究方法

使用德國(guó)徠卡DM2700Pp/MC170金相顯微鏡觀察合金不同狀態(tài)的晶粒尺寸和形貌等；采用附帶能譜的Phenom ProX掃描電鏡觀察合金在不同狀態(tài)組織形貌，并利用自帶的能譜分析儀測(cè)定特征組織的元素組成及含量，分析可能形成的相；采用Instron8801萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定合金的抗拉強(qiáng)度σb；采用顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度，所用的加載力F=1.961 N，保持時(shí)間t=10 s，分別對(duì)每個(gè)試樣5個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并取其算數(shù)平均值；采用Sigma2008A數(shù)字渦流電導(dǎo)儀對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行5次測(cè)試，取其算數(shù)平均值，得出合金的導(dǎo)電率。

2 結(jié)果及分析

2.1 Zr含量及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金顯微組織的影響

圖1為不同Zr含量的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho鑄態(tài)合金的顯微組織。由圖1(a)可知，未添加Zr的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho組織晶粒較粗大，柱狀晶粒較明顯；由圖1(b)可得，當(dāng)合金添加了0.2 %的Zr之后，合金中的柱狀晶明顯減少，晶粒變細(xì)，呈球化趨勢(shì)，晶界清晰可見(jiàn)；當(dāng)添加Zr達(dá)到0.4 %時(shí)，晶粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)，但還是以球形晶粒居多，相比未添加Zr的合金的晶粒細(xì)小，見(jiàn)圖1(c)。Ho元素在一定程度上可以細(xì)化鋁合金的晶粒[10]，復(fù)合添加Ho和Zr效果更為明顯，在Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金中添加0.2 %Zr，枝晶熔斷，大部分晶粒成球化趨勢(shì)，晶粒明顯細(xì)化。但當(dāng)Zr含量繼續(xù)增加，達(dá)到0.4 %時(shí)，晶粒不但沒(méi)有進(jìn)一步細(xì)化，反而有長(zhǎng)大趨勢(shì)，細(xì)化的小晶粒已規(guī)整的長(zhǎng)大，但晶粒還是比未添加Zr元素時(shí)細(xì)化。合金中加入一定含量的Zr元素，在煉過(guò)程中與其他元素相互作用產(chǎn)生成核的原子團(tuán)，起到細(xì)化劑的作用，并且Zr元素與Al基體結(jié)合形成細(xì)小的Al3Zr，細(xì)小的Al3Zr在合金中相對(duì)其他相來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，且熔點(diǎn)較高，能夠作為合金凝固過(guò)程中非均質(zhì)形核細(xì)化劑使用，從而起到細(xì)化晶粒的作用。但Zr含量超過(guò)一定范圍時(shí)，形成偏聚或者形成粗大的Al3Zr相，失去固溶在基體中的Zr元素或者形成細(xì)小Al3Zr相的作用。粗大的Al3Zr相呈脆性，對(duì)合金后續(xù)加工和使用性能產(chǎn)生不利的影響[9,12-13]。因此，一定含量Zr元素能起到細(xì)化鋁合金的作用，有利于提高合金的性能，但當(dāng)進(jìn)一步增加Zr含量，合金的晶粒反而增大，于合金的性能不利。

(a) 0.5 %Ho、0 %Zr(b) 0.5 %Ho、0.2 %Zr(c) 0.5 %Ho、0.4 %Zr

圖2為Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr合金在不同狀態(tài)的顯微組織形貌，合金在不同狀態(tài)下選取典型部位進(jìn)行能譜分析，如表1所示。

(a) 鑄態(tài)(b) 均勻化(c) 時(shí)效

如圖2(a)中所示，A處為基體，主要為Al，屬于典型的α-Al固溶體，B處為網(wǎng)狀灰色的枝晶間共晶體，經(jīng)能譜分析可知，該處組織主要由Al、Mg、Zn和Cu四種元素組成，原子分?jǐn)?shù)比接近6∶2∶1∶1，可推測(cè)該相可能是Mg(Zn,Al,Cu)2相，因此，合金鑄態(tài)組織主要由α-Al固溶體和Mg(Zn,Al,Cu)2相組成。圖2(b)中，C處可見(jiàn)斷續(xù)網(wǎng)格狀相，但形狀較鑄態(tài)變小，原子分?jǐn)?shù)比依然接近6∶2∶1∶1，可知該處與圖2(a)中B處相似，依然是Mg(Zn,Al,Cu)2相，經(jīng)過(guò)均勻化熱處理后，該相并沒(méi)有完全溶入基體。D處亮條塊狀，該亮條塊在基體上有多處分布，經(jīng)能譜分析可知，其主要元素為Al和Cu，原子比接近為2∶1，推測(cè)其為Al2Cu相。由此可知，合金該Al2Cu應(yīng)為鑄態(tài)組織中即存在的相，并未完全溶入基體中。圖2(b)中顯示網(wǎng)狀Mg(Zn,Al,Cu)2灰色相變細(xì)變少。圖2(c)中， E處可見(jiàn)長(zhǎng)條狀白亮相分布于基體，經(jīng)能譜分析可知，該處組織主要由Al、Zr元素組成，原子數(shù)之比約為3∶1，可以推測(cè)其為Al3Zr。Al3Zr熱穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)高，合金經(jīng)過(guò)熱處理后，該相不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嗷蛑匦氯苋牖w。

表1 不同熱處理狀態(tài)下Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr合金微觀組織中各相的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components for all phases of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr under different heat treatment condition %

2.2 合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho鋁合金力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗拉強(qiáng)度

圖3為合金元素含量與熱處理對(duì)合金抗拉強(qiáng)度的影響。由圖3可知，合金元素含量與熱處理均對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。

Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金的抗拉強(qiáng)度隨Zr含量的增加先上升后下降，鑄態(tài)、均勻化處理和時(shí)效處理的變化趨勢(shì)基本一致，Zr含量為0.2 %時(shí)達(dá)到峰值，這一變化趨勢(shì)與前述的Zr含量與合金組織之間的關(guān)系相吻合。而同一種成分的合金經(jīng)過(guò)均勻化處理和時(shí)效處理后均能提高合金的抗拉強(qiáng)度，但時(shí)效處理對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度提升尤為明顯。以Zr含量為0.2 %的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金為例，鑄態(tài)、均勻化處理和時(shí)效處理的抗拉強(qiáng)度分別為260 MPa、327 MPa和417 MPa，該合金經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度提高了60.4 %，說(shuō)明熱處理是該合金強(qiáng)化的重要手段之一。因?yàn)殍T態(tài)的合金存在粗大非平衡共晶組織、枝晶偏析及區(qū)域偏析等缺陷，經(jīng)過(guò)均勻化處理后這些得到有效的消除，從而提高了合金的抗拉強(qiáng)度，而經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，過(guò)飽和固溶體彌散析出以及高熔點(diǎn)的Al3Zr細(xì)小彌散顆粒起到彌散強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步提高合金的抗拉強(qiáng)度。

2.2.2 顯微硬度

圖4為合金元素含量與熱處理對(duì)合金顯微硬度的影響，由圖4可知，合金的抗拉強(qiáng)度受到合金元素含量與熱處理均的影響很大。從圖4中可以看出，加入Zr元素均可以提高合金的顯微硬度，鑄態(tài)、均勻化處理和時(shí)效處理的變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)Zr含量為0.2 %時(shí)達(dá)到峰值，這一變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致，但與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律不一樣的是Zr含量對(duì)合金的顯微硬度影響不像抗拉強(qiáng)度那么顯著。而同一種合金，均勻化處理后的顯微硬度略有下降，時(shí)效處理后的顯微硬度有較大的提高，說(shuō)明時(shí)效熱處理對(duì)提高該合金顯微硬度很有效。合金經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，高熔點(diǎn)的Al3Zr細(xì)小彌散顆粒和合金中的彌散強(qiáng)化相共同作用，提高了合金的顯微硬度。

圖3 合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金抗拉強(qiáng)度的影響
Fig.3 Effect of alloying and heat treatment on tensilestrength of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho alloy

圖4 合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金顯微硬度的影響
Fig.4 Effect of alloying and heat treatment onhardness of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho alloy

2.3 合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho鋁合金導(dǎo)電率的影響

圖5 合金化及熱處理對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg- 2.0Cu-0.5Ho合金導(dǎo)電率的影響Fig.5 Effect of alloying and heat treatment on electrical conductivity of Al-6.5Zn-2.1Mg- 2.0Cu-0.5Ho alloy

圖5為合金元素含量與熱處理對(duì)合金導(dǎo)電率的影響，由圖5可以看出，合金在鑄態(tài)、均勻化處理和時(shí)效處理的變化趨勢(shì)基本一致，隨著Zr含量的增加，合金的導(dǎo)電率不斷下降。值得注意的是合金在鑄態(tài)時(shí)，Zr含量超過(guò)0.1 %導(dǎo)電率有一個(gè)突然下降的趨勢(shì)，但隨著Zr含量的繼續(xù)增加，導(dǎo)電率變化不大。同一種合金，均勻化處理和時(shí)效處理均可以提高合金的導(dǎo)電率。在合金中增加合金元素的種類(lèi)和含量致使更多的溶質(zhì)原子或第二相粒子溶入α-Al基體，這些第二相粒子與鋁基體原子的結(jié)構(gòu)和大小不同，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ尤苋牖w后會(huì)引起晶格畸變，并且合金元素含量的增加，成分偏析的幾率增大，電子在合金中的運(yùn)動(dòng)受到晶格畸變和成分偏析的阻礙和散射，使得合金的導(dǎo)電率有所降低[8]，但合金經(jīng)過(guò)熱處理后，消除了合金中成分偏析、晶格畸變等不利于電子運(yùn)動(dòng)的缺陷，從而提高了合金的導(dǎo)電率。

3 結(jié)論

①一定含量的Zr元素對(duì)Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金起到細(xì)化晶粒的作用，但過(guò)量添加Zr元素，合金的晶粒反而長(zhǎng)大，本實(shí)驗(yàn)得出最佳的Zr含量為0.2 %。。

②鑄態(tài)、均勻化處理和時(shí)效處理后的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金，抗拉強(qiáng)度均隨Zr含量的增加先上升后下降，當(dāng)Zr含量為0.2 %時(shí)，三種狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為260MPa、327MPa和417MPa。顯微硬度的變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，但導(dǎo)電率卻隨著Zr含量的增加而降低。

③時(shí)效處理均能提高合金的抗拉強(qiáng)度、顯微硬度和導(dǎo)電率，時(shí)效熱處理是提高Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金性能的有效手段。