Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高壓扭轉(zhuǎn)變形多元合金相回溶行為分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，劉梅·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高壓扭轉(zhuǎn)變形多元合金相回溶行為分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，劉梅·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文所述為在不同變形溫度（360℃、400℃）條件下對(duì)一種含Zn量達(dá)9.0%的鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，采用SEM、EDS和XRD技術(shù)分析變形后試樣的微觀組織、第二相粒子分布和成分。研究結(jié)果表明：初始鑄態(tài)組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布；在變形溫度為360℃扭轉(zhuǎn)3/4圈條件下微觀組織主要由α(Al) +Al2Cu+MgZn2+Cu(MgZn)2組成，當(dāng)扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加到5圈時(shí)Cu(MgZn)2相消失；高壓扭轉(zhuǎn)變形過(guò)程中，隨著變形溫度、扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的提高，基體組織中粗大的第二相粒子數(shù)量明顯減少，分布更加均勻，第二相粒子回溶進(jìn)Al基體，獲得過(guò)飽和固溶體。

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作為新一代的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋁合金材料，因具有密度小、比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)、航空航天及核工業(yè)等尖端領(lǐng)域。研究表明，Zn含量達(dá)到7.9%、Zn/Mg比達(dá)到2.2以上的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，主要的強(qiáng)化相為GP區(qū)和η′相。受合金化程度、加工方式、熱處理工藝以及晶體缺陷等因素的影響，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金基體中存在大量的第二相粒子。這些第二相粒子對(duì)材料的再結(jié)晶行為、力學(xué)性能、斷裂韌性、耐腐蝕性能等均產(chǎn)生重要影響。一般認(rèn)為粗大的第二相粒子硬度較高，塑性較差，與基體不共格的粗大第二相粒子本身就相當(dāng)于裂紋源，因而降低了合金的斷裂韌性。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能與基體析出相（MPT）、晶界析出相（GBP）、晶界處的溶質(zhì)原子以及晶界無(wú)析出帶（PFZ）等密切相關(guān)?；w析出相的大小及彌散程度決定了合金強(qiáng)度，而晶界析出相的分布、尺寸、面積分?jǐn)?shù)、組成成分等將影響合金的抗應(yīng)力腐蝕能力。

中南大學(xué)許曉嫦等采用雙向反復(fù)壓縮變形工藝，研究了在強(qiáng)塑性變形條件下Al-Cu合金、6063鋁合金中不同析出相，結(jié)果表明強(qiáng)塑性變形引起過(guò)飽和固溶體合金脫溶，析出平衡相；對(duì)具有介穩(wěn)相和平衡相的兩相合金，則引起第二相粒子變形、破碎和回溶，重新形成過(guò)飽和固溶體；國(guó)外學(xué)者Shima Sabbaghianrad等采用高壓扭轉(zhuǎn)和等徑角擠壓對(duì)7075鋁合金展開研究，結(jié)果表明大塑性變形工藝不僅可獲得超細(xì)晶組織，而且可在較低溫度條件下誘導(dǎo)合金多元合金相（T相Al2Mg3Zn3和η相MgZn2）回溶，形成過(guò)飽和固溶體。因此，基于以上相關(guān)學(xué)者的研究成果，我們以新型鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作為研究對(duì)象，采用SEM、EDS和X射線衍射技術(shù)，深入研究高壓扭轉(zhuǎn)變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子的種類、分布，以及熱加工工藝參數(shù)（溫度、扭轉(zhuǎn)圈數(shù)）對(duì)第二相粒子的影響，以期初步揭示Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子回溶變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)

高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)材料為天津理化工程研究院提供的鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其主要合金元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：Zn9.0，Mg3.0，Cu2.6，Zr0.2以 及少量其他雜質(zhì)元素，Al為基體。采用電火花切取φ50mm×35mm的四組試樣，在KSL-1100X箱式電阻爐中對(duì)試樣進(jìn)行加熱，其中兩組試樣加熱到360℃，另外兩組試樣加熱到400℃。在配備壓扭旋轉(zhuǎn)臺(tái)的YH39-1000型模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)分別為3/4、1和5圈。采用Keller試劑（配比為95ml H2O+2.5ml HNO3+1.5ml HCl+1ml HF）對(duì)高壓扭轉(zhuǎn)變形后的試樣進(jìn)行腐蝕，試樣腐蝕時(shí)間為12s左右。腐蝕完成后在型號(hào)為JSL-6490LV的鎢燈絲掃描電子顯微鏡下進(jìn)行SEM形貌觀察，同時(shí)進(jìn)行EDS能譜分析。對(duì)高壓扭轉(zhuǎn)變形后的試樣在XRD-6100型衍射儀上進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為CuKα、40kV、40mA，采用Jade6.0軟件對(duì)衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

初始鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織分析

圖1所示為初始鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌。可以發(fā)現(xiàn)微觀組織由粗大的等軸晶組成，晶粒大小不一，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布，其形狀主要有橢圓形、圓形和長(zhǎng)條形（如圖1b所示）；晶粒內(nèi)部彌散分布著細(xì)小的第二相粒子，其形狀主要呈針狀。研究表明，晶界析出相主導(dǎo)了合金的應(yīng)力腐蝕開裂，而晶內(nèi)彌散相則抑制基體再結(jié)晶，從而主導(dǎo)晶粒和晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)材料性能產(chǎn)生協(xié)同影響。

圖1 初始鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌

對(duì)圖1b中所示的第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，可以發(fā)現(xiàn)深灰色標(biāo)記為A的粒子主要由Al、Cu和Zn元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，而Zn元素含量較少，推測(cè)A處粒子為AlCu合金相；對(duì)淺灰色標(biāo)記為B的粒子進(jìn)行能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由Al、Cu和Mg元素組成，但是Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，而Mg元素含量極少，推測(cè)其為Al2Cu。為了進(jìn)一步確定A、B處的第二相粒子，對(duì)初始態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金進(jìn)行XRD物相分析，發(fā)現(xiàn)微觀組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，進(jìn)而確認(rèn)了A處粒子為AlCu相，B處粒子為Al2Cu相。此外，XRD物相分析顯示微觀組織中存在時(shí)效強(qiáng)化相MgZn2，結(jié)合EDS能譜分析確定基體中彌散分布的針狀粒子為MgZn2（如圖1b中方框所示）。

變形溫度對(duì)第二相粒子的影響

圖3a、3b所示為400℃變形溫度下高壓扭轉(zhuǎn)3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)微觀組織中存在粗大的三角形、長(zhǎng)條形的第二相粒子。采用能譜（EDS）分析發(fā)現(xiàn)圖3a中標(biāo)記為A的深灰色三角形粒子主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，該相應(yīng)為AlCu合金相；對(duì)標(biāo)記為B處的第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由Mg、Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應(yīng)為Al2Cu；對(duì)基體中彌散存在的針狀第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由Mg、Al和Zn元素組成，其中Mg和Zn元素的原子百分比接近2:1，該相應(yīng)為MgZn2。XRD物相分析表明合金微觀組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，這也進(jìn)一步證實(shí)了能譜分析的正確性。

圖2 初始鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金EDS能譜

圖3c、3d所示為360℃變形溫度下高壓 扭 轉(zhuǎn)3/4圈 后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合 金微觀組織的SEM形貌。對(duì)標(biāo)記為C處的第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應(yīng)為Al2Cu；對(duì)標(biāo)記為D處的第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由Al、Zn、Mg和Cu元素組成，其中Cu和（Zn、Mg）原子百分比接近1:2，推測(cè)其為Cu(MgZn)2。XRD物相分析表明360℃變形溫度下高壓扭轉(zhuǎn)3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織由α(Al)+Al2Cu+MgZn2組成，通過(guò)XRD技術(shù)并未檢測(cè)到Cu(MgZn)2相的存在，但是基于相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果確定基體中存在Cu(MgZn)2相，但是由于其含量較少，XRD未能檢測(cè)到它的衍射峰。

分析溫度變化對(duì)第二相粒子的影響（如圖3b、3d所示）可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)變形后沿晶界析出的第二相粒子消失，微觀組織中難以觀察到明顯的晶界，粗大的第二相粒子隨機(jī)分布在基體組織中。與初始鑄態(tài)組織相比，基體組織中粗大的第二相粒子數(shù)量明顯減少，且變形溫度越高，粗大的第二相粒子數(shù)目越少；此外，與初始狀態(tài)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的XRD圖譜相比，可以發(fā)現(xiàn)熱變形后部分Al2Cu相對(duì)應(yīng)的衍射峰消失，這表明高壓扭轉(zhuǎn)過(guò)程中隨著應(yīng)變量的積累，大量的第二相粒子（Al2Cu等）回溶進(jìn)入Al基體，獲得了過(guò)飽和固溶體。

表1 不同分析位置處第二相粒子原子百分比（at. %）

圖3 HPT變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌及XRD衍射圖譜

扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)第二相粒子的影響

變形溫度為360℃經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)變形5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)微觀組織中粗大的第二相粒子均勻分布于Al基體中（如圖4b所示）。對(duì)圖3a中所示粗大的第二相粒子進(jìn)行能譜（EDS）分析，發(fā)現(xiàn)其主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應(yīng)為Al2Cu。XRD物相分析表明360℃變形溫度下高壓扭轉(zhuǎn)5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織由α(Al) +Al2Cu+MgZn2組成。與圖3d相比，在相同變形溫度條件下隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，可以發(fā)現(xiàn)第二相粒子數(shù)量明顯減少，分布更加均勻；同時(shí)，與初始態(tài)的物相組成相比，AlCu合金相消失了，這表明在360℃變形條件下，隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金部分第二相粒子回溶進(jìn)Al基體，導(dǎo)致AlCu合金相消失，第二相粒子數(shù)量明顯減少。

圖4 HPT變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金

結(jié)論

⑴初始鑄態(tài)組織主要由α(Al)+AlCu +Al2Cu+MgZn2組成，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布，針狀MgZn2彌散分布于基體組織中。

⑵高壓扭轉(zhuǎn)變形過(guò)程中，隨著變形溫度、扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的提高，基體組織中粗大的第二相粒子數(shù)量明顯減少，分布更加均勻，第二相粒子回溶進(jìn)Al基體，獲得過(guò)飽和固溶體。

⑶在變形溫度為360℃、扭轉(zhuǎn)3/4圈條件下，微觀組織主要由α(Al)+Al2Cu +MgZn2+Cu(MgZn)2組成，隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加到5圈，微觀組織中Cu(MgZn)2相消失，第二相粒子數(shù)量明顯減少，分布更加均勻。