元素Gd對(duì)7075鋁合金組織及性能的影響

宋 良， 尹冬松， 肖 強(qiáng)， 張政存

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱150022)

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金的應(yīng)用愈加廣泛，相關(guān)行業(yè)對(duì)鋁合金的力學(xué)性能要求愈加嚴(yán)苛[1-4]。添加Gd能夠提高鋁合金的力學(xué)性能，但Gd對(duì)鋁合金的細(xì)化機(jī)理尚未被揭示，對(duì)鋁合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律鮮有報(bào)道[5-7]。筆者對(duì)7075鋁合金加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Gd元素，考察其對(duì)7075鋁合金的微觀組織、硬度、抗拉強(qiáng)度的影響，探尋7075鋁合金獲得最佳力學(xué)性能的Gd元素添加量。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

熔煉7075鋁合金所選用的原材料分別為Zn粒、Mg塊、Al塊、Cu板和Mg-Gd中間合金?？紤]材料的綜合力學(xué)性能，分別制備了4組Gd添加量不同的鋁合金試樣。4組鋁合金試樣除Mg-Gd中間合金添加量不同，其余熔煉條件及原材料配比完全相同，4組鋁合金試樣的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金試樣的化學(xué)成分

1.2 設(shè)備與方法

采用坩堝電阻爐熔煉配置好的原料，坩堝電阻爐溫度升至750 ℃加入鋁塊，熔煉1 h待鋁塊完全熔煉成鋁水，加入鋅粒和鎂塊，熔煉時(shí)間5 min。之后加入銅塊，熔煉時(shí)間為5 min。加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-Gd中間合金，熔煉時(shí)間為5 min。加入爐料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的六氯乙烷精煉劑，使用石墨棒進(jìn)行人工攪拌，攪拌后進(jìn)行扒渣，扒渣后夾出坩堝澆注試樣。使用XRD衍射分析儀進(jìn)行X衍射測(cè)試，利用電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)在常溫下進(jìn)行測(cè)試，拉伸式樣按照GB/T228—2002《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，采用顯微硬度儀對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，利用SEM和EDS對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

2.1.1 金相顯微組織

圖1為4個(gè)7075鋁合金試樣的金相照片。觀察圖1a發(fā)現(xiàn)鋁合金晶粒粗大，晶間析出物尺寸較大，組織分布不均勻。隨著Gd含量的上升，w(Gd)達(dá)到0.6%時(shí)，由圖1 b發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化效果不明顯，出現(xiàn)晶間析出物，但相對(duì)于圖1a，圖1b中晶界數(shù)量增加，晶粒尺寸略微減小。當(dāng)w(Gd)=0.9%時(shí)，晶粒得到明顯細(xì)化，晶界數(shù)量提高，且有少量的第二相析出，如圖1c所示。當(dāng)w(Gd)=1.2%時(shí)，鋁合金晶粒最為細(xì)小，相比其它試樣，其晶粒尺寸最小，但有少量第二相且第二相形狀較為不均勻。

圖1 7075鋁合金試樣的微觀組織Fig. 1 Microstructure of 7075 aluminum alloy specimen

采用結(jié)點(diǎn)法定量金相分析細(xì)化效果，將A、B、C和D4個(gè)試樣置于100倍蔡司顯微鏡下獲得金相組織圖片，在每張圖片上做出三條相對(duì)于標(biāo)尺長(zhǎng)為10 μm的直線，分別將每條線記為a、b和c。計(jì)算每條直線穿過(guò)的晶粒數(shù)目，取平均值得出晶粒的平均尺寸。將直線所穿過(guò)的晶粒的總數(shù)記作N，晶粒的平均尺寸記為n，直線記為M，列出其計(jì)算公式為

n=M/N，

(1)

式中：n——晶粒的平均尺寸，μm；

M——基準(zhǔn)線，μm；

N——直線所穿過(guò)的晶粒的總數(shù)。

由圖1可知，在100倍數(shù)下，A試樣的平均晶粒個(gè)數(shù)為8個(gè)，B試樣的平均晶粒個(gè)數(shù)為10個(gè)，C試樣的平均晶粒個(gè)數(shù)為14個(gè)，D試樣的平均晶粒個(gè)數(shù)為17個(gè)。基準(zhǔn)線的M取值為1 000 μm，根據(jù)式(1)計(jì)算各試樣的平均晶粒尺寸如圖2所示。

圖2 四個(gè)試樣的平均晶粒尺寸Fig. 2 Average grain size of of four samples

由圖2可知，試樣A的晶粒平均尺寸為125 μm，試樣B的晶粒平均尺寸為100 μm，試樣C的晶粒平均尺寸為71.43 μm，試樣D的晶粒平均尺寸為58.82 μm。這說(shuō)明隨著Gd含量的增加，晶?？傮w得到細(xì)化，尺寸減小，組織逐漸均勻， Gd對(duì)鋁合金組織有著明顯的細(xì)化效果。這是由于稀土元素較低的電位以及特殊的電子層排布使得其具有很高的活性，與各種元素都能發(fā)生反應(yīng)。稀土元素可極大改善鋁的組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[8-10]。

2.1.2 掃描電鏡顯微組織

為研究7075鋁合金試樣中不同相的成分，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的7075鋁合金中添加Mg-Gd中間合金并進(jìn)行組織成分分析。合金析出相(十字星位置)的SEM圖像如圖3所示，其具體成分見(jiàn)表2。

圖3 7075鋁合金微觀組織SEM能譜成分點(diǎn) Fig. 3 Microstructure and SEM point analysis of 7075 alloys

表2 7075鋁合金試樣析出相成分

Table 2 Precipitation phase composition of 7075 aluminum alloy sample

合金元素w/%Mg14.36Al45.72Gd1.18Cu10.40Zn28.34

S點(diǎn)析出相w(Al)=45.72%，w(Zn)= 28.34%，w(Mg)= 14.36%,w(Cu)=10.40%，所以此處的析出相可能為AlMgZnCuGd化合物。該相聚集在晶界處能有效的阻礙晶界運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化晶粒的作用[7]。圖中白色相(圖3中的P點(diǎn))可能為Mg和Zn結(jié)合物，也可能為Al-Gd化合物，為白亮色，主要為球狀和類球狀。為進(jìn)一步驗(yàn)證析出相成分，對(duì)添加w(Gd)為0.3%的試樣進(jìn)行了X射線衍射分析，可以判定Al和Gd主要的析出相為Al3Gd，如圖4所示。

圖4 0.3%Gd含量衍射圖譜Fig. 4 XRD analysis of 0.3%Gd

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗拉強(qiáng)度與延伸率

表3為7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和硬度。由圖1a可以看出，w(Gd)=0.3%時(shí)，試樣A的合金晶粒粗大，枝晶間距較大，晶粒形狀不規(guī)則且尺寸不均勻，所以其強(qiáng)度和延伸率最低，分別為184 MPa和6.4%。隨著Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.6%時(shí)，晶粒形狀變化，同時(shí)從圖1b中可觀察到出現(xiàn)少量的球狀第二相，為Gd和Al基體發(fā)生反應(yīng)形成新相，從而提高了材料的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到了252 MPa，由于球狀的第二相在外力作用下具有一定緩解應(yīng)力集中的作用，因此，其延伸率也略有上升，達(dá)到了7.1%。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.9%時(shí)，試樣C的晶粒相比試樣B進(jìn)一步細(xì)化，同時(shí)，形成的硬質(zhì)析出相Al3Gd能夠有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高抗拉強(qiáng)度。因此，抗拉強(qiáng)度和延伸率也達(dá)到了最大值，分別為259 MPa和8.6%。

表3 7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和硬度

Table 3 Tensile strength, elongation and hardness of 7075 alloys

試樣抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%硬度/MPaA1846.4128B2527.1126C2598.6126D2157.7131

當(dāng)w(Gd)=1.2%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率有所下降，分別為215 MPa和7.7%。這是因?yàn)镚d在合金中通過(guò)固溶與Al基體相結(jié)合，極大增加了Al基體的溶解度，導(dǎo)致Al3Gd體積分?jǐn)?shù)大幅度增加，由于Al3Gd體積分?jǐn)?shù)過(guò)高，割裂了基體從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低。

2.2.2 硬度

表3列出了4組試樣的硬度。由表3可知，試樣A的硬度比試樣B高2 MPa。這是由于隨著Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到0.6%時(shí)，出現(xiàn)晶界析出物，晶界析出物組織粗大且分布不均勻，導(dǎo)致合金的硬度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖1a和1b所示。試樣B和試樣C的硬度基本沒(méi)有變化，均為126 MPa。試樣D的硬度最高，達(dá)到了131 MPa，是因?yàn)楫?dāng)Gd的添加量增加至1.2%時(shí)，Al3Gd體積分?jǐn)?shù)大幅度增加，該相為金屬間化合物，硬度明顯高于基體，這些較硬的化合物均勻的分布在晶界之中，對(duì)合金硬度的增加起到促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

(1)稀土Gd可以有效細(xì)化7075鋁合金晶粒，在7075鋁合金中主要以Al3Gd化合物的形式分布于枝晶間。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.2%時(shí)，第二相大量析出。

(2)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稀土Gd可以提高7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%增加至0.9%時(shí)，7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率最大，但在Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.2%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率略有下降，硬度最高。