不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)7003鋁合金凝固過程的影響

馮艷飛，趙 鑫，楊 路，王 克，鄭 建

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速的進(jìn)步，在解決鋁合金冶金工程難題方面具有很大優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今非常熱門的研究方向之一[1-3]。7003鋁合金屬于Al-Zn-Mg系鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的塑性加工性能及優(yōu)良的焊接性能，在軌道交通、裝備、橋梁等方面都有極廣泛的應(yīng)用。近年來，人們對(duì)Zr在超高強(qiáng)鋁合金組織、性能中的作用及影響進(jìn)行了大量研究并取得重要進(jìn)展[4-6]。但Zr在中強(qiáng)度Al-Zn-Mg系鋁合金中的相關(guān)研究卻報(bào)道較少。為此，本文以Al-Zn-Mg系中的7003鋁合金為基體，計(jì)算分析了添加不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)合金相組成、析出溫度及力學(xué)性能的影響。

1 凝固過程計(jì)算

本文通過合金成分設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分別計(jì)算不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%）對(duì)7003鋁合金凝固過程的影響。合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 7003合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用Scheil-Gulliver模型理論[7-9]可以很好地模擬眾多鋁合金的凝固過程，但它是一個(gè)近似值。為了很好地控制凝固全過程，該模型推導(dǎo)基于以下假設(shè)：（1）固相中無擴(kuò)散，DS=0；（2）液相均勻混合，液態(tài)金屬在任何時(shí)刻都能通過擴(kuò)散、對(duì)流或強(qiáng)烈攪拌而使其成分完全均勻，DL=∞；（3）固-液界面處于局部平衡狀態(tài)；（4）固相線和液相線為直線。

形成固相中合金成分計(jì)算公式：

形成固相所占分?jǐn)?shù)計(jì)算公式：

熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算原理如下所示：

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相組成及其析出溫度的影響

圖1為不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下理想狀態(tài)的7003鋁合金鑄錠相組成及其析出溫度。從圖中可以看出，7003鋁合金鑄錠在理想狀態(tài)下的相組成如下：α-Al、 η （MgZn2）、 Mg2Si、 E （AlCrMgMn）、Al6Mn、Al7Cr、Al13Cr4Si4和Al3Zr等。其中7003合金的強(qiáng)化相主要為η（MgZn2）相。隨著Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的析出相及析出溫度變化較為明顯，尤其是Al3Zr相（圖中Al3M-DO23）。在所添加的Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%～0.20%時(shí)，7003合金相組成中出現(xiàn)了含Al3Zr相，并且隨Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其析出溫度發(fā)生了明顯的變化。

圖2為不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的Al3Zr相與析出溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，在相同凝固溫度下，隨著Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Al3Zr相也不斷增多；并且在645.6℃時(shí)，Al3Zr相出現(xiàn)高峰值，而其低峰值在620℃時(shí)出現(xiàn)。且Al3Zr相析出的峰值溫度不受Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)而變化。在620℃以后，隨著凝固溫度的降低，Al3Zr相逐漸增多，最后趨于穩(wěn)定平衡。當(dāng)Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時(shí)，Al3Zr相高峰值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.09%、0.18%、0.26%、0.34%；當(dāng)Zr分別為0.16%、0.20%時(shí)，Al3Zr相低峰值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03%、0.11%。Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.12%時(shí)，未出現(xiàn)低峰值。當(dāng)Zr分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時(shí)，Al3Zr相趨于平衡穩(wěn)定，熔體內(nèi)含Al3Zr相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%，這主要是與Al3Zr相中合金元素Zr的變化有關(guān)。

2.2 不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝固溫度的影響

圖3是不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的理想狀態(tài)的7003鋁合金凝固溫度變化曲線。從圖中可以看出，隨著Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，凝固溫度發(fā)生了明顯變化。圖中出現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度分別為結(jié)晶開始溫度和終了溫度。在未添加Zr時(shí)，7003鋁合金的結(jié)晶開始溫度和所需時(shí)間分別為647.0℃、51.8 s，而結(jié)晶終了溫度和所需時(shí)間分別為467.9℃、475.0 s。而分別添加0.04%、0.08%、0.12%、0.16%和0.20%Zr之后，結(jié)晶開始溫度分別為647.2℃、646.9℃、646.7℃、646.5℃，開始結(jié)晶所用時(shí)間分別為51.7s、35.5 s、27.9 s、28.1 s，結(jié)晶終了溫度為468.9℃、468.2℃、467.9℃、467.9℃。結(jié)晶從開始至終了所用的時(shí)間依次為475.9s、447.7 s、437.7 s、437.6 s。與未添加Zr相比，過冷度略增大，開始和終了的時(shí)間均縮短。當(dāng)Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，與未添加Zr相比時(shí)，其結(jié)晶開始和終了的時(shí)間分別降低了46.1%、7.9%。添加Zr微量元素有利于加快冷卻速率，縮短結(jié)晶以及凝固過程所需的時(shí)間；同時(shí)還略降低了結(jié)晶開始溫度和終了溫度，提高了過冷度，有利于7003鋁合金晶粒細(xì)化。

2.3 不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)枝晶臂間距的影響

圖4為不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相對(duì)枝晶臂間距的關(guān)系。這里所謂的相對(duì)枝晶臂間距是指添加Zr的鋁合金與不添加Zr的合金枝晶臂間距差值。從圖中可以看出，一方面，在相同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，隨著冷卻速率的升高，相對(duì)枝晶臂間距逐漸縮?。涣硪环矫?，在相同冷卻速率下，隨著Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，相對(duì)枝晶臂間距呈增大趨勢(shì)。當(dāng)冷卻速率為0.01℃/s、Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時(shí)，相對(duì)枝晶臂間距依次為0.04 μm、0.06 μm、016 μm、0.21 μm、0.28 μm。枝晶臂間距是兩個(gè)二次枝晶之間的距離，枝晶尖端半徑越小、越尖銳，單位時(shí)間排除的溶質(zhì)原子就越多，越有利于擴(kuò)散，尖銳的尖梢生長(zhǎng)越快。

2.4 不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5（a）、（b）是冷卻速率為1℃/s時(shí)不同Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的7003鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。從圖中可以明顯看出，隨著Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不斷增大。與未添加Zr元素相比，Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時(shí)7003合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了1.72%～14.05%和1.45%～12.57%。合金的力學(xué)性能提高顯著，這主要是因?yàn)閆r元素與Al基體共格較好，且有晶粒細(xì)化和彌散強(qiáng)化的作用[10]。

3 結(jié)論

（1）通過計(jì)算可知，增加Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.04%～0.20%），Al3Zr相的析出溫度發(fā)生了明顯的變化。在645.6℃時(shí)，Al3Zr相出現(xiàn)高峰值；而在620℃時(shí)，Al3Zr相出現(xiàn)低峰值，且Al3Zr相的析出峰值溫度不受Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)而變化。

（2）當(dāng)Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時(shí)，Al3Zr相趨于穩(wěn)定平衡的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%。

（3）添加Zr有利于加快冷卻速率，縮短結(jié)晶以及凝固過程所需的時(shí)間。

（4）添加Zr元素可以顯著提高7003鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高。