Ti對(duì)Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr合金微觀組織和高溫力學(xué)性能的影響

尹冬松, 張 寧, 張游游, 王 錳

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

0 引 言

Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu合金是7075合金主要成分，屬于可熱處理強(qiáng)化超高強(qiáng)度變形鋁合金，擁有密度低、強(qiáng)度高、易于回收、無(wú)污染等特點(diǎn)[1]。由于其具有較高的比強(qiáng)度、良好的延展性和韌性，被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、機(jī)械設(shè)備及家電包裝領(lǐng)域。尤其用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)，如，上翼皮弦桿、水平、垂直穩(wěn)定的制造[2-4]。

Zr可以提高鋁合金的再結(jié)晶溫度，合金的強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕性，以及鋁合金的形核率與細(xì)化晶粒。張林慧等[5]指出Zr能細(xì)化晶粒，改善鋁合金的元素分布，隨著Zr含量的增加，能夠提高合金的抗拉強(qiáng)度。前期課題組也做過(guò)一些研究,證明0.2%的Zr對(duì)Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu鋁合金的晶粒細(xì)化效果最好，具有較好的力學(xué)性能。

Ti是鋁合金常用的孕育劑。大量研究表明，單獨(dú)添加Ti和Zr的時(shí)，Ti對(duì)合金的細(xì)化效果強(qiáng)于Zr。Ti、Zr復(fù)合對(duì)合金的細(xì)化效果比二者單獨(dú)添加更加優(yōu)異。Yu等[6]研究添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15 %Ti和0.15 %Zr時(shí)對(duì)晶粒尺寸有正向細(xì)化作用，改變了柱狀晶的生長(zhǎng)形態(tài)晶粒到細(xì)等軸晶。余愛(ài)武等[7]研究了Ti、Zr復(fù)合對(duì)合金的再結(jié)晶抑制作用，課題組前期相關(guān)研究表明，隨著Ti的增加，晶粒尺寸持續(xù)細(xì)化，根據(jù)這一現(xiàn)象，筆者研究高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ti對(duì)Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr微觀組織和力學(xué)性能的影響，以期能為提高Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr合金的耐熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)原材料為工業(yè)純鋁(≥99.70%)、鋅粒、黃銅、純鎂、Al-Ti合金(w(Ti)=5%)、海綿鋯。使用SG-5-12 型井式電阻爐進(jìn)行熔煉，將爐溫升到700 ℃，依次加入原材料，待材料全部熔化，使用除氣劑C2Cl6除氣、拔渣，待溫度保持在(730 ±5) ℃左右，進(jìn)行澆注，澆注到內(nèi)徑95 mm的金屬鑄型中，獲得φ95 mm×500 mm的圓柱體。

在合金中間部位取樣，對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕，95.5 mL H2O和0.5 mL HF作為腐蝕劑。使用蔡司高級(jí)金相顯微鏡觀察合金的微觀組織，按照GBT/6394 2002《金屬平均晶粒度測(cè)試法》計(jì)算晶粒尺寸。使用線切割制得拉伸試樣，拉伸試驗(yàn)按照GB6397—86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》標(biāo)準(zhǔn)加工的標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸速率為0.5 mm/min。鋁合金高溫性能是指在超過(guò)193 ℃下的力學(xué)性能，本次高溫拉伸選取的拉伸溫度為200 ℃。使用DX—2700B型X射線衍射儀對(duì)合金的物相組成進(jìn)行分析，利用QUAN200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察合金鑄態(tài)的高倍顯微組織。實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 相組成

合金的XRD衍射圖如圖1所示。從圖1a可以看出，除基體α-Al衍射峰之外，還出現(xiàn)了MgZn2和Al2CuMg相。圖1b是加入Ti之后的XRD衍射圖，出現(xiàn)了新的Al3(TixZrx-1)相，這是因?yàn)門i的加入，與Zr發(fā)生反應(yīng)。Zr呈彌散分布，同時(shí)Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是很大，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的Al3Zr相存在。

圖1 合金的XRD衍射圖Fig. 1 XRD pattern of alloy

2.2 微觀組織

合金的金相組織照片如圖2所示。不添加Ti時(shí)，晶粒較為粗大，使用截點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，可得平均晶粒尺寸為166.6 μm。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Ti之后，合金的晶粒尺寸為105.6 μm，合金的晶粒尺寸急劇細(xì)化，Ti、Zr均可以作為合金異質(zhì)形核的核，但是Ti對(duì)晶粒的細(xì)化效果高于Zr。這是因?yàn)閆r原子半徑大于Ti和Al的原子半徑，分別為0.158、0.146、0.143 nm，根據(jù)晶粒生長(zhǎng)抑制系數(shù)Q來(lái)分析元素對(duì)形核晶粒生長(zhǎng)的影響，Zr和Ti的Q值分別為5和31[8]。Q值越大晶粒的生長(zhǎng)速率越慢，對(duì)晶粒的細(xì)化效果越好，因此，Ti對(duì)晶粒生長(zhǎng)的抑制作用遠(yuǎn)強(qiáng)于Zr。當(dāng)Ti添加量為2 %時(shí)，合金的平均晶粒尺寸為65.4μm，隨著Ti含量的增加晶粒得到了進(jìn)一步的細(xì)化。那是因?yàn)锳l3(TixZrx-1)數(shù)量的增多，可以作為α-Al的形核的核心，有著良好細(xì)化晶粒的效果。

圖2 合金的金相組織照片F(xiàn)ig. 2 Photograph of metallographic structure of alloy

合金的SEM形貌如圖3所示。圖3a為Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr的SEM形貌，可以看出，基體的晶界處有一些條狀相，對(duì)晶界處A點(diǎn)進(jìn)行能譜分析如圖4所示，A點(diǎn)含Al、Zn、Mg、Cu元素如表2所示。其原子分?jǐn)?shù)分別為63.8%、9.28%、13.9%、13.02%，Zn、Mg、Cu偏聚在晶界處，可以推測(cè)為形成共晶的第二相，這兩種相在晶界上呈兩種形式分布，一個(gè)是呈斷續(xù)狀分布在晶界上，一個(gè)是連續(xù)分布在晶界上。A點(diǎn)析出相為斷續(xù)狀，據(jù)X射線衍射分析和能譜分析結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)推測(cè)為Al2CuMg和MgZn2共晶相[9-10]。對(duì)晶內(nèi)顆粒B點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)與A點(diǎn)元素相近，此處，析出相與A點(diǎn)相同。

表2 EDS分析結(jié)果

圖3 Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr-xTi(x=0、1、2)合金的SEM形貌Fig. 3 SEM morphology of Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr-xTi(x=0，1，2) alloy

圖4 Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr-xTi(x=0、1、2)合金的微區(qū)成分能譜分析Fig. 4 Energy spectrum analysis of micro-area composition of Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr-xTi(x=0，1，2) alloy

圖3b是Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-1Ti-0.2Zr的SEM形貌，可以明顯看出，添加1%Ti后，基體上出現(xiàn)了一些塊狀的析出相，對(duì)塊狀相C點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，此處，含有Al、Ti和少量的Zr元素，Al、Ti的摩爾比接近3∶1，結(jié)合XRD和EDS分析，確定此處為Al3(TixZrx-1)相[8]。對(duì)晶界處D點(diǎn)進(jìn)行分析，成分沒(méi)有發(fā)生變化，由于Ti的加入，使晶界處的析出相從斷續(xù)狀變成了連續(xù)狀，同時(shí)部分析出相變成了網(wǎng)狀。

圖3c是Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-2Ti-0.2Zr的SEM照片，可以明顯看出，塊狀相數(shù)量急劇增多，局部區(qū)域發(fā)生聚集，同時(shí)出現(xiàn)粗化的趨勢(shì)。

2.3 成分分布

2#合金的元素分布如圖5所示。由圖5可以看出，Zn、Mg、Cu、Ti呈彌散分布。1#、3#合金的Zn、Mg、Cu元素的分布和2#合金未有明顯的區(qū)別，也呈彌散分布。

圖5 2#合金元素的面分析Fig. 5 Surface analysis of 2# alloy element

2.4 高溫力學(xué)性能

Al-Zn-Mg-Cu-Zr-xTi(x=0、1、2)合金的高溫力學(xué)性能如表3所示。由表3可以看出，1#合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為170.0、165.5 MPa，伸長(zhǎng)率為1.9 %。當(dāng)添加1 %Ti時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提升，分別為227.6和174.8 MPa,伸長(zhǎng)率為4%。這主要是因?yàn)門i的加入，使得晶粒得到了細(xì)化，提高了合金的強(qiáng)度和塑韌性，形成了耐高溫的Al3(TixZrx-1)相。這種相因?yàn)門i、Zr的交互作用產(chǎn)生，在細(xì)化晶粒的同時(shí)，提高它的再結(jié)晶溫度。對(duì)比Al3Ti相，Al3(TixZrx-1)相的硬度高于Al3Ti。 Al3(TixZrx-1)相呈彌散分布，在200 ℃的溫度下不會(huì)發(fā)生軟化，而且Al3(TixZrx-1)相的硬度遠(yuǎn)高于基體的硬度，當(dāng)發(fā)生位錯(cuò)滑移的時(shí)候，可以有效阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)MgZn2和Al2CuMg共晶相在晶界處析出變得連續(xù)，部分相形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠有效阻礙晶界發(fā)生滑移，避免了應(yīng)力集中，有效的提高了合金的高溫力學(xué)性能。

表3 合金高溫力學(xué)性能

當(dāng)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度反而下降了，這說(shuō)明Al3(TixZrx-1)聚集長(zhǎng)大，但是沒(méi)有起到阻止位錯(cuò)滑移的效果，還隔裂了基體，降低了高溫力學(xué)性能，此時(shí)伸長(zhǎng)率變化不大。

3 結(jié) 論

(1)在Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr中，添加1%的Ti使晶粒尺寸從166.6 μm降為105.6 μm。繼續(xù)添加Ti至2%時(shí)，晶粒持續(xù)降至65.4 μm。

(2)分析成分的面分布，發(fā)現(xiàn)Zn、Mg、Cu和Zr元素都呈彌散分布。加入Ti后，Ti除了部分彌散，Ti主要以Al3(TixZrx-1)相的形式出現(xiàn)，同時(shí)，Mg開始向晶界聚集。

(3)在200 ℃下，Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Zr的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為170、165.5 MPa，伸長(zhǎng)率為1.9 %。添加1%Ti之后，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到了大幅度的上升，分別為227.6、174.8 MPa,伸長(zhǎng)率提高為4%。繼續(xù)添加Ti至2%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著降低，伸長(zhǎng)率變化不大。