稀土釔對鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金組織和力學性能的影響

梅自強，劉志義，柏 松，王 建，曹 靖，寧國棟，袁豪杰

(1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.北京機電工程研究所，北京 100083)

鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金具有較高的室溫和高溫力學性能以及良好的切削加工性能，在航空航天領域應用較廣，主要用于承受大載荷的結構件和耐熱零件[1]。為了提高合金的鑄造性能，Al-Cu系鑄造鋁合金一般采用較高的銅含量，因而在合金中形成大量的Al2Cu過剩相，嚴重割裂了基體，導致合金的室溫塑性普遍較低，如T5態(tài)的ZL206鋁合金室溫斷后伸長率僅為2%，極大地限制了該類合金的廣泛應用。

近些年來，為了進一步開發(fā)鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金、提升合金綜合性能，稀土微合金化成為一種新選擇[2]。稀土釔(Y)可以使Al-Cu合金產(chǎn)生富釔第二相，有助于穩(wěn)定和細化組織，從而改善合金拉伸性能[3-4]，而目前還未見到稀土釔對鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金組織和性能影響研究的報道。本試驗研究了鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金中稀土釔的微合金化行為，通過室溫拉伸試驗、金相組織分析、掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡觀察等方法，揭示了該合金微觀組織與力學性能之間的聯(lián)系，探索出一條改善鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金室溫塑性的新途徑。

1 試驗材料及方法

試驗材料為兩種高Cu的鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金，一種不添加稀土釔，另一種添加w(Y)=0.3%，其代號為0Y和3Y。它們的名義化學成分如表1所示。

表1 試驗用Al-Cu-Mg-Ag合金的名義化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Nominal compositions of Al-Cu-Mg-Ag alloys for test(wt/%)

合金熔煉后，將730 ℃左右的金屬液澆注到鐵模中得到鑄錠。鑄錠一部分被加工成直徑10 mm的標準棒狀拉伸試樣，用于室溫拉伸力學性能測試；另一部分用于微觀組織觀察和分析。棒狀拉伸試樣經(jīng)520 ℃16 h固溶處理后，迅速水淬至室溫，然后進行165 ℃10 h欠時效處理。室溫拉伸試驗在SANS-CMJ5105型萬能力學試驗儀上進行，拉伸速率為2 mm/min。用DMM-900C型金相顯微鏡觀察合金鑄態(tài)組織，本試驗采用Keller試劑作為腐蝕劑。通過FEI Quanta-200型環(huán)境掃描電子顯微鏡對欠時效態(tài)(T5態(tài))的兩種合金進行觀測，確定合金中第二相的化學組成及形貌分布。利用Tecnai G20型透射電子顯微鏡進行析出相分析，本試驗所用的樣品先預磨至厚度小于80 μm的薄片，然后沖成直徑為3 mm的小圓片，最后在-20 ℃以下用30%HNO3+70%CH3OH電解液進行雙噴減薄。

2 試驗結果及分析

2.1 鑄態(tài)組織分析

鑄態(tài)合金0Y和3Y的典型金相組織如圖1所示。在晶粒尺寸上，兩種合金并未表現(xiàn)出明顯差異，平均晶粒尺寸均為85 μm左右。在晶粒形貌上，合金0Y的鑄態(tài)組織主要由大量大小不一的等軸晶組成，部分較大的晶粒呈現(xiàn)出樹枝晶的特征；合金3Y則不同，其鑄態(tài)組織幾乎全部由等軸晶構成?？梢?，在本試驗中稀土釔所產(chǎn)生的晶粒細化效果并不明顯，因為兩種合金都添加了Al-Ti-B晶粒細化劑，使得稀土釔的晶粒細化效果弱化。此外，稀土釔的添加可以減小合金形成樹枝晶的趨勢。

圖1 兩種合金鑄態(tài)的金相組織照片F(xiàn)ig.1 Optical micrographs of two as-cast alloys

2.2 室溫力學性能測試

兩種合金T5態(tài)的室溫拉伸力學性能測試結果如圖2所示。稀土釔添加量w(Y)=0.3%的3Y合金抗拉強度從451 N/mm2增加到463 N/mm2，斷后伸長率從2.8%增加到4.3%。合金0Y和3Y的屈服強度相差無幾，分別為384 N/mm2和387 N/mm2。可見，稀土釔的添加，顯著改善了T5態(tài)Al-6.5Cu-0.2Mg-1.0Ag合金室溫塑性，而對該合金的屈服強度影響不大。

圖2 兩種合金T5態(tài)的室溫力學性能Fig.2 Room-temperature mechanical properties of two kinds of alloys at T5 temper

2.3 透射電子顯微分析

經(jīng)過固溶、欠時效熱處理后，兩種合金的TEM微觀組織及對應的衍射花樣如圖3所示(入射電子束接近于<110>α方向)。兩種合金的析出強化相主要為Ω相以及少量的θ′相，符合高w(Cu)/w(Mg)比值Al-Cu-Mg-Ag合金的時效析出規(guī)律[5-6]。具體的析出相尺寸和數(shù)量密度統(tǒng)計結果見表2。添加稀土釔后，Ω相的平均直徑由49.0 nm增加到49.9 nm，平均厚度由5.3 nm減小到4.4 nm，數(shù)量密度由7.5×103/μm3增加到8.4×103/μm3。對于θ′相，隨著w(Y)=0.3%的加入，其數(shù)量密度、平均直徑和平均厚度均有所減小?？梢钥吹剑m然稀土釔的添加量較大，但Ω相和θ′相各項參數(shù)的平均值并無顯著變化。

Ω相和θ′相的化學成分均為Al2Cu，這兩種相的形核、長大都需要銅原子參與，存在相互競爭關系。正是因為這兩種相的競爭析出關系[7]，本試驗中Ω相的數(shù)量密度與θ′相呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。為了進一步分析析出相對合金屈服強度的影響，需要進行定量計算。由Ω相和θ′相產(chǎn)生的屈服強度增量表達式分別為式(1)和式(2)[8-9]：

(1)

(2)

上述公式中：變量N、d和t分別對應析出相的數(shù)量密度、平均直徑和平均厚度；常量泰勒系數(shù)M取3.06，位錯柏氏矢量b=0.286 nm，泊松比v=0.345，γ和G分別是界面能和切變模量(分別取0.165 J/m2和25.4 GPa)。由沉淀強化產(chǎn)生的屈服強度增量σp可以表示為：σp=ΔσΩ+Δσθ′。經(jīng)計算，合金0Y和3Y的σp分別為234 N/mm2和230 N/mm2，相差很小。此計算結果與屈服強度的實測值符合得很好。

圖3 兩種合金T5態(tài)的TEM圖片F(xiàn)ig.3 TEM images of two kinds of alloys at T5 temper

2.4 掃描電子顯微分析

圖4和圖5分別為T5態(tài)合金的SEM組織及對應的能譜分析結果。由于合金的銅含量超過固溶度極限，使0Y合金在固溶處理后仍有部分Al2Cu相不能完全溶入基體，這些不規(guī)則的過剩第二相聚集在各晶界處，呈半連續(xù)分布。添加w(Y)=0.3%的稀土釔后，在3Y合金中形成了骨架狀的Al-Cu-Y三元相，從而改變了合金的第二相形貌和分布，使晶界第二相由半連續(xù)、粗大的不規(guī)則狀轉變?yōu)椴贿B續(xù)、細小的骨架狀。張鋒[11]和李敏[12]等人也得到了類似的試驗結果，他們指出，當釔含量增加至w(Y)=0.15%以上時，Al-Cu-Mn合金中的Al2Cu相會轉變?yōu)轸~骨狀，且釔含量越高，魚骨狀結構也越多。根據(jù)章立鋼[10]等人的第一性原理計算結果，這種骨架狀的三元相為Al8Cu4Y相。Al8Cu4Y相的元素面掃描圖譜見于圖6。由圖6可知，Al、Cu和Y元素在Al8Cu4Y相中呈均勻分布，各Al8Cu4Y相顆粒的間隙部分為鋁基體。相比于Al2Cu相，骨架狀Al8Cu4Y相的尺寸更為細小，且分布不連續(xù)。此外，對圖4的定量統(tǒng)計結果顯示，合金0Y中Al2Cu相體積分數(shù)為6.5%，而合金3Y中Al8Cu4Y相體積分數(shù)只有4.6%，稀土釔的添加降低了過剩第二相的體積分數(shù)。

表2 T5態(tài)兩種合金中Ω和θ′相的統(tǒng)計結果Table 2 Statistical results of Ω and θ′ phases of two kinds of alloys at T5 temper

圖4 兩種合金T5態(tài)的背散射電子圖Fig.4 Backscattered electron images of two kinds of alloys at T5 temper

圖5 圖4中A、B處第二相的能譜分析結果Fig.5 Results of energy spectrum analysis of the second phases on points A and B in Fig.4

在添加w(Y)=0.3%后，合金塑性的改善與晶界上過剩第二相顆粒尺寸及體積分數(shù)的減小密切相關[13-14]。一方面，在拉伸過程中，裂紋萌生于晶界第二相顆粒的脆性斷裂，第二相顆粒尺寸的細化增大了顆粒發(fā)生斷裂的臨界應力，從而延緩了晶界裂紋的萌生。另一方面，過剩相體積分數(shù)的減小使顆粒之間應力場的相互作用減弱，減小了顆粒的內(nèi)應力，從而抑制了裂紋萌生。此外，過剩相體積分數(shù)較小時，會產(chǎn)生更少的宏觀剪切帶，使裂紋不易延伸擴展。所以，Al8Cu4Y相的形成阻礙了裂紋的萌生和擴展，從而提高了合金的室溫塑性。對于合金強度，前人的研究普遍認為晶界上的第二相顆粒不影響鋁合金的屈服強度[14-15]。在本試驗中，兩種合金的鑄態(tài)晶粒尺寸差別不大，稀土釔的添加雖然在一定程度上影響了析出強化相的尺寸和數(shù)量密度，但計算結果表明兩種合金中沉淀強化引起的屈服強度增量并無顯著差異，從而造成了兩種合金總體屈服強度相差無幾的結果。

圖6 圖4b中方框區(qū)域的元素面掃描圖譜Fig.6 Element mapping of the region marked by the box in Fig.4b

3 結 論

1)添加w(Y)=0.3%的稀土釔后，Al-Cu-Mg-Ag合金的斷后伸長率由2.8%增加至4.3%，但合金屈服強度基本保持不變。稀土釔微合金化是改善鑄造Al-Cu-Mg-Ag合金室溫塑性的有效途徑。

2)稀土釔的加入對該鋁合金中Ω相和θ′相的數(shù)量密度和尺寸產(chǎn)生了些許影響，但計算結果表明由這兩種析出相引起的屈服強度增量基本保持不變，這與試驗實測結果相符。

3)在含0.3%Y的合金中形成了Al8Cu4Y相，使晶界過剩第二相的形貌變?yōu)轸~骨狀，同時減小了過剩相的尺寸和體積分數(shù)，延緩了晶界裂紋的萌生和擴展，從而提高了合金的室溫塑性。