Cu含量對重力鑄造Al-Cu-Mg-Sc合金組織及力學性能的影響

鄭元凱， 李龍飛， 金 康， 李春明， 張文良， 梁君寧

(1. 北京機電研究所有限公司, 北京 100083; 2. 北京機科國創(chuàng)輕量化科學研究院有限公司, 北京 100083;3. 中機精密成形產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院(安徽)股份有限公司, 安徽 蕪湖 241000; 4. 河北豐維機械制造有限公司, 河北 邢臺 054500)

鋁合金作為使用范圍與用量僅次于鋼鐵的材料，依靠其比重小、導(dǎo)熱性好、耐蝕性好、易于成形和價格低廉等一系列優(yōu)勢，是目前使用最為廣泛的輕量化結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、容器包裝業(yè)、機械制造業(yè)和石油化工等各工業(yè)部門[1-3]。Al-Cu二元系合金是2xxx系合金的基礎(chǔ)合金，也是典型的熱處理可強化型合金，其在固溶時效后，組織中出現(xiàn)大量彌散分布的GP區(qū)、θ″和θ′相，并在其周圍形成彈性應(yīng)變區(qū)，阻礙了位錯運動，從而使Al-Cu合金具有優(yōu)良的性能[4-7]。Cu作為Al-Cu基合金的主要強化組成元素，相關(guān)研究已不在少數(shù)，張帆[8]使用傳統(tǒng)重力鑄造方法制備了Al-Cu-Mg-Ag 合金，對Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag合金做了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)Cu含量不變時，隨著Cu/Mg比值的升高，合金力學性能有下降趨勢，塑性有明顯的提高。同時，肖代紅團隊[9]對Al-4Cu-xMg-0.6Ag-0.5Mn合金做了進一步研究，得出當Mg質(zhì)量分數(shù)為0.8%時，合金抗拉強度達到516 MPa，Mg的引入可以促進Ω-Al2Cu的時效析出過程。然而，大部分研究集中于Al-Cu-Mg-Ag系合金，重點對合金在高溫下析出相變化及耐熱性能進行了比較深入的研究，且Cu含量基本以Al-4Cu-Mg合金為主，較高Cu含量下(Cu≥4wt%)的研究較少。因此，本研究旨在把較高含量Cu加入到Al-Cu-Mg-Sc鋁合金中，其中稀土元素Sc對鋁合金也有積極作用，能夠從沉淀強化、變形強化和細晶強化發(fā)揮作用[10-13]。通過加入較高Cu含量(4%～6%，質(zhì)量分數(shù)，下同)，探討Cu含量對時效強化Al-Cu-Mg-Sc合金性能影響變化的規(guī)律及機制。

1 試驗材料和方法

試驗材料通過重力鑄造方法而得，以工業(yè)純鋁和Al60Cu、純Mg、Al10Mn、Al5TiB、Al5Sc中間合金為原料，在熔煉爐中進行合金熔煉，并在除氣除渣后，于710 ℃進行澆注, 鑄錠尺寸為φ18 mm×180 mm的圓棒。測得Al-xCu-Mg-Sc鋁合金的實際化學成分如表1所示，其中x=4.26、5.58、6.13。對材料進行熱處理，固溶處理工藝采用雙級固溶，具體操作為隨爐升溫至500 ℃保溫4 h，然后再升溫至520 ℃保溫6 h，固溶爐升溫速率設(shè)定為5 ℃/min；固溶水冷后，時效工藝采用單級時效，具體工藝為隨爐升溫至175 ℃保溫5 h，完成后取出試樣自然冷卻。

表1 重力鑄造Al-Cu-Mg-Sc鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

采用GeminiSEM 500型場發(fā)射掃描電鏡觀察組織形貌、分布和斷口形貌。采用維氏硬度計對試樣進行硬度測試，載荷9.8 N，加載時間15 s，至少測試5點，取其平均值作為合金實際硬度值。拉伸試驗按GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，試驗所用設(shè)備為CRIMS拉伸機，拉伸速率2 mm/min，每組試驗至少取3個試樣進行拉伸試驗，取平均值作為該狀態(tài)的力學性能。拉伸試樣遠離澆鑄口取樣，取樣位置及規(guī)格見圖1，其中室溫拉伸試棒取4根，試棒夾持端尺寸為M6。

圖1 拉伸試樣取樣位置及關(guān)鍵尺寸Fig.1 Sampling position and key dimensions of the tensile specimen

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖2是鑄態(tài)Al-5.58Cu-Mg-Sc合金在高倍下的SEM微觀組織，可以看出在基體ɑ-Al晶粒外的晶界處存在兩種亮白色析出相——Al2Cu和富Sc相，兩種相呈現(xiàn)相似的分布方式，但從高倍組織中可以明顯看出，富Sc相內(nèi)部出現(xiàn)花紋狀組織，與Al2Cu相相互連接并重疊，連續(xù)分布在晶界位置，這種連續(xù)分布的特征可以阻礙位錯運動，大幅提高合金的強度。

圖2 Al-5.58Cu-Mg-Sc合金的鑄態(tài)組織Fig.2 Microstructure of the Al-5.58Cu-Mg-Sc alloy as-cast

為了對比不同Cu含量下Al-Cu-Mg-Sc鋁合金微觀組織變化規(guī)律及合金在固溶及時效狀態(tài)下組織變化，使用SEM手段觀察合金在低倍和高倍下的微觀組織，如圖3所示。從圖3可觀察到，隨著Cu含量從4.26% 增加至6.13%，晶界處白色析出相數(shù)目明顯增加，使用Image Pro 6.0統(tǒng)計軟件統(tǒng)計白色相面積分數(shù)后得到，當Cu含量為4.26%時，白色析出相平均面積分數(shù)為3.3%，而當Cu含量為6.13%時，白色析出相平均面積分數(shù)高達5.6%?？梢奀u含量的增加會使Al-Cu-Mg-Sc合金的晶間相數(shù)目明顯增加，根據(jù)前述分析，晶間相體積分數(shù)的提高可明顯提高合金強度，在后述性能結(jié)果中會進一步分析這點。此外，在不同Cu含量下，對比合金在鑄態(tài)及熱處理態(tài)組織中ɑ-Al晶粒大小，可觀察到相同放大倍數(shù)下，在高Cu含量下，合金ɑ-Al晶粒尺寸最小。這是由于當合金中溶質(zhì)濃度較高時，也就是Cu含量較高情況下，隨著溫度的下降，在凝固過程中固液界面向液相中推進時，溶解在液相中的溶質(zhì)會不斷被排出到固液界面處，從而阻礙了ɑ-Al晶粒的繼續(xù)生長[14-15]。因此溶質(zhì)濃度越高，晶粒生長的阻礙程度就會越大，導(dǎo)致最終晶粒尺寸越小，但不同溶質(zhì)元素對晶粒生長的阻礙程度不一樣，在此不再贅述。對比相同Cu含量下鑄態(tài)、固溶態(tài)及時效態(tài)組織，可以看出當合金經(jīng)過雙級固溶處理后，晶界處白色析出相的數(shù)目和分布相比鑄態(tài)組織有較大變化，固溶態(tài)組織晶間處白色析出相的數(shù)目明顯減少，分布形態(tài)也從鑄態(tài)下的連續(xù)網(wǎng)狀分布變?yōu)椴贿B續(xù)的點狀分布，可見經(jīng)過固溶處理后，晶間的析出相在高溫長時間處理下溶入基體[16]，然而，從固溶組織中可明顯觀察到仍有殘留白色相存在，后面會通過進一步的EDS能譜分析得出白色相的組分。經(jīng)過時效處理后，Al-Cu-Mg-Sc合金微觀組織和固溶態(tài)相同，這是由于低溫時效處理使固溶在基體組織內(nèi)的析出相發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變[17]，轉(zhuǎn)變后的時效析出相以納米尺寸均勻析出在基體表面，由于尺寸小、分布均勻無法在掃描電鏡下觀察到，因此時效組織和固溶組織沒有明顯區(qū)別。

使用EDS分析手段對Cu含量為5.58%的Al-Cu-Mg-Sc合金在鑄態(tài)及固溶態(tài)下晶間析出相成分進行分析，分析位置見圖4，結(jié)果見表2，可以得到，當合金在鑄態(tài)時(見圖4(a))，晶間相有兩種，一種主要成分為Al和Cu，質(zhì)量分數(shù)分別為49.99%和41.93%，此時Al/Cu原子比2.8，可推知該晶間相為Al2Cu；而另一種晶間相所含元素較多，除了Al和Cu外，還有1.57%的Sc，以及微量Mg、Fe、Mn，可推知該復(fù)雜析出相除了富Sc相外，還存在Al2CuMg相，以及微量富Fe相，成分較復(fù)雜。當合金經(jīng)過固溶處理后(見圖4(b))，通過能譜分析可知晶間相中富Sc相為主要相，說明富Sc相不能通過高溫固溶溶解在基體中，而大部分Al2Cu及Al2CuMg相固溶在ɑ-Al基體中，增加了基體合金強度。需要指出的是，在能譜結(jié)果中還存在一定濃度的碳，這是由于在掃描電鏡觀察中，為了增加導(dǎo)電性，在樣品表面噴碳所致。

圖4 Al-5.58Cu-Mg-Sc合金在鑄態(tài)(a)和固溶態(tài)(b)下的晶間析出相Fig.4 Intergranular precipitation in the Al-5.58Cu-Mg-Sc alloy as-cast(a) and solution treated(b)

表2 Al-5.58Cu-Mg-Sc合金晶間析出相成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù),%)

為了進一步確定不同Cu含量下析出相變化規(guī)律以及熱處理后組織變化，對不同狀態(tài)合金做X射線衍射(XRD)分析，分析結(jié)果見圖5，標定衍射峰后得到，隨著合金Cu含量的增加，Al2Cu衍射峰出現(xiàn)，峰強逐漸增大，說明Al2Cu相含量增多，當經(jīng)過熱處理后，部分Al2Cu衍射峰消失，說明部分Al2Cu相固溶在基體中，這和前面組織中所顯示的規(guī)律一致。由于組織中其他相含量較低，因而無法觀察到這些相的衍射峰。

圖5 鑄態(tài)及時效態(tài)Al-xCu-Mg-Sc合金的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the Al-xCu-Mg-Sc alloys as-cast and aged

2.2 力學性能

圖6為不同Cu含量下3種狀態(tài)Al-Cu-Mg-Sc鋁合金的硬度。可以發(fā)現(xiàn)，隨合金中Cu含量從4.26%增加到6.13%，鑄態(tài)合金維氏硬度值由100.7 HV提高到114.5 HV，固溶狀態(tài)合金維氏硬度從107.8 HV提高到113.0 HV，時效態(tài)合金維氏硬度從104.7 HV提高到118.5 HV。根據(jù)前述合金微觀組織隨Cu含量變化規(guī)律，可知當Cu含量增加時，合金中晶間Al2Cu相體積分數(shù)增多，Al2Cu相可以強化合金，使合金硬度提高。此外，Cu含量的增多也使Al-Cu-Mg-Sc合金組織中的晶粒得到細化，根據(jù)Hall-Patch公式[18]，晶粒尺寸的減小使單位面積晶界數(shù)目增多，最終提高合金抵抗變形能力，從而提高合金硬度。

圖6 不同Cu含量Al-xCu-Mg-Sc合金的維氏硬度Fig.6 Vickers hardness of the Al-xCu-Mg-Sc alloys with different Cu contents

由于Al-Cu-Mg-Sc合金為熱處理強化合金，因此對合金在時效處理后的拉伸性能進行測量，結(jié)果見圖7。從圖7可以看到，隨著合金中Cu含量從4.26%增加到5.58%，合金屈服強度從191 MPa提升至216 MPa，抗拉強度從323 MPa提升至355 MPa，伸長率維持在13%左右，而當合金中Cu含量繼續(xù)增加至6.13%時，合金的強度沒有進一步提高，伸長率卻有降低的趨勢。這是由于當Cu含量較高時，微觀組織中Al2Cu相體積分數(shù)較高，在固溶處理后溶解進入基體的Al2Cu相數(shù)目有限，致使有大量Al2Cu相殘留在晶界處(見圖2(b))，因此經(jīng)過時效處理后，高Cu合金強化效果不能隨著Cu含量增加而繼續(xù)提升。

圖7 不同Cu含量Al-xCu-Mg-Sc合金時效后的力學性能Fig.7 Mechanical properties of the aged Al-xCu-Mg-Sc alloys with different Cu contents

2.3 斷口形貌

為了進一步探究Cu 含量對合金室溫拉伸性能影響變化的原因，分別對不同Cu含量Al-Cu-Mg-Sc合金時效處理后拉伸斷口形貌進行觀察，如圖8所示。從圖8可觀察到，3種合金的拉伸斷口形貌都是由一些大小、深度不等的圓形或橢圓形的凹坑構(gòu)成，這些凹坑即韌窩[19]，說明合金有較好的塑性。仔細對比圖8(a～c)可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cu含量的增多，韌窩的尺寸更加細小，分布致密，細小密集的小初窩的出現(xiàn)表明合金內(nèi)部存在更多數(shù)量的強化相，說明加入Cu后，合金內(nèi)部析出相的數(shù)量大大増加，位錯經(jīng)過尺寸細小的析出相時繞過時更加困難，從而提高了合金強度。然而，當Cu含量較多時(6.13%)，通過EDS分析，合金斷口中還會存在雜質(zhì)元素Fe、Mn等形成的脆性相，這些含有雜質(zhì)元素的脆性相往往也是拉伸過程中試樣發(fā)生屈服時的起裂源[20-21]。這說明，過多Cu的加入會和Fe、Mn等溶質(zhì)形成高熔點相，這些相不能繼續(xù)強化合金，反而會對合金塑性產(chǎn)生不利影響。

圖8 時效態(tài)Al-xCu-Mg-Sc合金的拉伸斷口形貌(a～c)及EDS分析(d)Fig.8 Tensile fracture morphologies(a-c) and EDS analysis(d) of the aged Al-xCu-Mg-Sc alloys (a) x=4.26； (b) x=5.58； (c) x=6.13

3 結(jié)論

1) 在Al-xCu-0.3Mg-0.3Sc合金中，Cu含量增加使微觀組織中Al2Cu相體積分數(shù)增多，Al2Cu相的增加提高了合金強度。隨Cu含量從4.26%提高至6.13%，金屬間相平均面積分數(shù)從3.3%增加至5.6%，鑄態(tài)合金維氏硬度值由100.7 HV提高到114.5 HV，時效后合金屈服強度從191 MPa提升至212 MPa，抗拉強度從323 MPa提升至352 MPa，伸長率維持在12%左右。

2) 鑄態(tài)合金經(jīng)過固溶處理后，晶間Al2Cu相的數(shù)目明顯減少，但合金中富Sc相仍然存在，分布形態(tài)也從鑄態(tài)的連續(xù)網(wǎng)狀分布變?yōu)椴贿B續(xù)的點狀分布。時效處理后，由于固溶在基體組織內(nèi)的析出相發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變，時效后硬度相比鑄態(tài)有較大提升。

3) 當Cu含量較高時(6.13%)，微觀組織中Al2Cu相體積分數(shù)較高，在固溶處理后溶入基體的Al2Cu相數(shù)目有限，有大量Al2Cu相殘留在晶界，經(jīng)過時效處理后，高Cu合金強化效果不能隨著Cu含量增加而繼續(xù)提升。