稀土Sc、La對ZL205A合金鑄態(tài)組織和時效行為的影響

李春暉，黃新忠，何平，李煒，龔子杰，李曉宇，劉潤芳

稀土Sc、La對ZL205A合金鑄態(tài)組織和時效行為的影響

李春暉1，黃新忠1，何平2，李煒1，龔子杰1，李曉宇1，劉潤芳1

（1.北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100039；2.空裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100039）

研究分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的微量稀土Sc和稀土La元素對ZL205A合金顯微組織和時效析出行為的影響。通過金屬型重力鑄造法，向ZL205A合金中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土Sc和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土La元素，制備得到不添加稀土、添加稀土Sc和添加稀土La的ZL205A合金。通過對比分析顯微組織，得出不同稀土元素對ZL205A合金顯微組織的影響。對3組合金進(jìn)行T5熱處理，分析不同稀土元素對ZL205A合金熱處理后組織的影響。將3組合金在155 ℃溫度下進(jìn)行1～20 h的時效，對比分析不同稀土元素對ZL205A合金時效硬化過程的影響。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土Sc使ZL205A合金中出現(xiàn)了難溶的AlCuSc相，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土La使ZL205A合金中Al2Cu相數(shù)量增多。稀土Sc的添加未改變ZL205A合金達(dá)到峰值時效硬度的時間（8 h），但峰值時效硬度由154HV降低至141HV；稀土La的加入使ZL205A合金達(dá)到峰值時效硬度的時間由8 h延遲至14 h，但峰值時效硬度由154HV提高至161HV。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%稀土La的ZL205A合金比添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%稀土Sc的ZL205A合金具有更好的強(qiáng)化效果。

稀土La；稀土Sc；ZL205A合金；時效行為

Al–Cu系合金也被稱為硬鋁合金，其強(qiáng)度較高，比常用的Al–Si系合金強(qiáng)度高出約100～200 MPa[1]。ZL205A合金是Al–Cu系鑄造鋁合金中的代表，由于具有高強(qiáng)高韌、易機(jī)械加工、抗應(yīng)力腐蝕等良好的綜合力學(xué)性能，適合于生產(chǎn)大型受力結(jié)構(gòu)件，并可以用于生產(chǎn)以鑄代鍛、以鋁代鋼、整體鑄造等構(gòu)件，已經(jīng)在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。眾所周知，ZL205A合金的強(qiáng)化方式包括細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化，其顯微組織包括α–Al基體、Al2Cu相、Al20Cu2Mn3相、Al3Ti相、Al3Zr相和Cd相[6]，主要是靠Al2Cu相和Al20Cu2Mn3相起強(qiáng)化效果，若要提高ZL205A合金的力學(xué)性能，可以從增加Al2Cu、Al20Cu2Mn3相的數(shù)量，細(xì)化Al2Cu相的大小等方面入手，也可以通過添加含有TiC、TiB2的晶粒細(xì)化劑來提高ZL205A合金的力學(xué)性能，但是在高溫時，ZL205A合金強(qiáng)化相的快速粗化會使其力學(xué)性能顯著下降[7-9]。為了有效提高ZL205A合金的室溫高溫力學(xué)性能，擴(kuò)大該合金的應(yīng)用范圍，可以將適量的鑭（La）、鈰（Ce）、釔（Y）和鈧（Sc）等稀土元素加入到合金中，由于這些元素具有特殊的電子層結(jié)構(gòu)以及活潑的化學(xué)性質(zhì)，可以與各種元素形成稀土化合物[10]，因此可以在凈化熔體、降低氫含量、提高合金力學(xué)性能和耐腐蝕性能等方面起到積極作用[11-16]，而針對稀土La、稀土Sc等元素對ZL205A合金顯微組織和力學(xué)性能的影響和機(jī)理方面的研究還相對較少。

文中將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土Sc和0.1%的稀土La分別添加到ZL205A合金中，通過金屬型重力鑄造的方法制備出ZL205A+0.1%Sc（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和ZL205A+0.1%La（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金，研究了稀土Sc和稀土La對ZL205A合金鑄態(tài)組織的影響，對合金進(jìn)行T5熱處理后，研究了不同時效溫度下稀土Sc和稀土La對ZL205A合金時效析出行為的影響。

1 試驗

1.1 材料

文中以高純鋁、高純鎘、Al–50Cu中間合金、Al–10Mn中間合金、Al–4V中間合金、Al–4Zr中間合金、Al–4Ti–B中間合金、Al–10Sc中間合金和Al–3La中間合金為原材料，自行配制了ZL205A+ 0.1% Sc（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和ZL205A+0.1% La（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）合金，合金中各元素實際成分如表1所示。制備合金的精煉過程中使用了六氯乙烷精煉劑。使用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸對合金進(jìn)行腐蝕以觀察合金的顯微組織。

表1 文中制備的ZL205A合金各元素實際成分

Tab.1 Actual composition of each alloy element of ZL205A alloy prepared in this experiment wt.%

1.2 方法

將高純鋁以及除高純鎘、Al–10Sc和Al–3La以外的其他中間合金放入電阻爐中熔化，升溫至730 ℃，然后放入高純鎘和Al–10Sc（Al–3La）中間合金，待溫度上升至750 ℃對熔體進(jìn)行攪拌，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的六氯乙烷精煉除氣，靜置10 min，待溫度達(dá)到710 ℃時，將合金液澆入Y型金屬模具中，自然冷卻至室溫后即得到合金鑄件。合金鑄件示意圖如圖1a所示。

對合金鑄件按照圖1b的標(biāo)示進(jìn)行取樣，將取下的試樣在538 ℃下固溶14 h，50 ℃水淬后冷卻至室溫，然后在155 ℃下進(jìn)行時效，分別時效1、3、5、8、10、12、14、16、18、20 h（如圖1b所示）。使用Axio Scope A1金相光學(xué)顯微鏡觀察試樣的鑄態(tài)顯微組織，使用華銀HV–1000A型顯微維氏硬度計測定試樣的維氏硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀土Sc和稀土La對ZL205A合金鑄態(tài)組織的影響

圖2為ZL205A合金、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%稀土Sc的ZL205A合金和添加0.1%稀土La的ZL205A合金的鑄態(tài)顯微組織。由ZL205A合金的凝固過程可知，α–Al首先結(jié)晶析出，Cu原子或Mn原子在固液界面前沿富集，當(dāng)濃度達(dá)到共晶成分時，形成α–Al+θ（Al2Cu）二元共晶相和α–Al+θ+T（Al20Cu2Mn3）三元共晶相，在合金的鑄態(tài)組織中以α–Al和θ相為主，同時存在少量的T相。ZL205A合金中所含的Ti和Zr會在凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，形成Al3Zr和Al3Ti相，這2種相可作為異質(zhì)形核的核心，起到細(xì)化晶粒作用；同時，少量未參與反應(yīng)的Ti和Zr相以小棒狀形式分布于基體中。Cd相則是以單質(zhì)的形式分布于基體中。

圖1 合金鑄件及取樣方式示意圖

圖2 合金的鑄態(tài)顯微組織

對比圖2a、c和e可以發(fā)現(xiàn)，稀土Sc的添加并沒有明顯改變ZL205A合金中α–Al晶粒的形貌，θ相仍具有明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是有一部分網(wǎng)狀θ相向斷續(xù)的細(xì)條狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且尺寸略有減小。這可能是由于在生成的富Sc相中含有Cu原子，消耗了固液界面前沿Cu原子的濃度，使其周圍θ相呈斷續(xù)分布。而稀土La的添加雖然沒有改變ZL205A合金晶粒的形貌，但是減小了ZL205A合金的晶粒尺寸，這是由于稀土La加入ZL205A合金中后，能夠起到成分過冷的作用，從而細(xì)化了合金的晶粒。對比圖2b、d和f可以發(fā)現(xiàn)，添加Sc的ZL205A合金的鑄態(tài)組織中出現(xiàn)了類似“小塊狀”和“細(xì)棒狀”的相，這可能是AlCuSc相。而在添加稀土La的ZL205A合金中，本來連續(xù)分布在晶界的Al2Cu相變得不再連續(xù)，且Al2Cu相變得更加細(xì)小，破碎程度更大。

2.2 稀土Sc和稀土La對ZL205A合金熱處理后組織的影響

經(jīng)T5處理后合金的顯微組織見圖3。從圖3a可以看出，ZL205A合金經(jīng)T5熱處理后，大部分θ（Al2Cu）相已經(jīng)溶入基體中，且彌散效果較好。從圖3b可以觀察到，添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金除θ（Al2Cu）相大部分溶入基體以外，還存在部分未溶的AlCuSc相（圓圈標(biāo)示）。由文獻(xiàn)[17]可知，θ（Al2Cu）相的熔點(diǎn)為536.97 ℃，經(jīng)T5處理后，該相可以完全地溶入基體中；而AlCuSc相的熔點(diǎn)為570.69 ℃，538 ℃的溫度并不能使其固溶。因此，添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金經(jīng)T5處理后，其組織中仍存在部分未溶的耐高溫AlCuSc相。從圖3c可以看出，添加0.1%稀土La的ZL205A合金中彌散相的數(shù)量更多，且分布相比添加Sc的ZL205A合金的分布相而言更為均勻，組織中基本未發(fā)現(xiàn)難溶相的存在。

圖3 經(jīng)T5處理后合金的顯微組織

2.3 時效硬化過程分析

圖4為3組合金在155 ℃經(jīng)1～20 h時效的硬化曲線。可以看出，未添加稀土的ZL205A合金隨著時效時間的延長，硬度逐漸升高至峰值，隨后呈現(xiàn)出波浪式的變化規(guī)律，最后基本穩(wěn)定在147HV。而添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金的時效硬化曲線呈現(xiàn)出先升高后降低，隨后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。添加0.1%稀土La的ZL205A合金的時效硬化過程也呈現(xiàn)出先升高至硬度峰值，然后下降的變化規(guī)律，但是在時效時間大于16 h后，硬度并未趨近于一個穩(wěn)定值。

圖4 合金在155 ℃時效的硬化曲線

未添加稀土的ZL205A合金和添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金均在時效8 h時達(dá)到了峰值硬度，但ZL205A合金的峰值硬度為154HV，而添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金峰值硬度僅為141HV，這表明稀土Sc的加入對合金的峰值硬度起到了消極作用。這主要是由于Sc在加入ZL205A合金后形成的AlCuSc相會消耗部分Cu原子，從而阻礙了Al2Cu相的生成，減少了Al2Cu相的數(shù)量，在時效過程中，析出相的數(shù)量大量減少，并且密度降低，因此降低了合金硬度。

添加0.1%稀土La的ZL205A合金在時效14 h時才達(dá)到峰值硬度，文獻(xiàn)[6]指出，ZL205A合金是典型的時效強(qiáng)化合金，強(qiáng)化相析出的順序為GP區(qū)→θ"→θ’→θ，而稀土La的加入導(dǎo)致峰值時效時間后移，這是因為ZL205A合金中的Cd元素和加入的稀土La會與空位結(jié)合，進(jìn)而阻礙了空位的遷移，導(dǎo)致形成GP區(qū)的速率降低，延緩了時效進(jìn)程[18-20]。添加0.1%稀土La的ZL205A合金的峰值時效硬度為161HV，并且在時效時間大于12 h后，其硬度均高于其他2組合金的硬度，這可能是因為稀土La的加入使ZL205A合金在完全時效后析出的彌散強(qiáng)化相數(shù)量更多，且分布更均勻，從而提高了合金基體的硬度。

3 結(jié)論

1）向ZL205A合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%稀土Sc使合金組織中出現(xiàn)了難溶的AlCuSc相；而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的稀土La可以起到成分過冷的作用，從而有效增加Al2Cu相的數(shù)量。

2）0.1%稀土Sc的加入沒有改變ZL205A合金達(dá)到峰值時效硬度的時間（8 h），但生成的AlCuSc相由于消耗掉了具有強(qiáng)化作用的Cu原子，因此將ZL205A合金的峰值時效硬度由154HV降低至141HV。

3）0.1%稀土La的加入使ZL205A合金達(dá)到峰值時效硬度的時間由8 h后移至14 h，但稀土La增加了ZL205A合金完全時效析出的彌散強(qiáng)化相數(shù)量，使ZL205A合金峰值時效硬度由154HV提高至161HV。

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Effects of Rare Earth Sc and La on As-cast Structure and Aging Behavior of ZL205A Alloy

LI Chun-hui1,HUANG Xin-zhong1, HE Ping2, LI Wei1, GONG Zi-jie1, LI Xiao-yu1, LIU Run-fang1

(1. Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100039, China; 2. The First Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Beijing, Beijing 100039, China)

The work aims to study the effects of adding 0.1wt.% trace rare earth Sc and rare earth La on the microstructure and aging precipitation behavior of ZL205A alloy. Through the metal gravity casting method, 0.1wt.% rare earth Sc and 0.1wt.% rare earth La were added to ZL205A alloy to prepare ZL205A alloy without rare earth, rare earth Sc and rare earth La. Through the comparative analysis of the microstructure, the effects of different rare earth elements on the microstructure of ZL205A alloy were obtained. T5 heat treatment was performed on the triple combination alloys, and the effects of different rare earth elements on the structure of ZL205A alloy after heat treatment was analyzed. The three groups of component alloys were aged for 1-20 h at 155 ℃, and the effects of different rare earth elements on the age hardening process of ZL205A alloy were compared and analyzed. The addition of 0.1wt.% rare earth Sc made the refractory AlCuSc phase appear in the ZL205A alloy. The addition of 0.1wt.% rare earth La increased the number of Al2Cu phases in the ZL205A alloy. The addition of rare earth Sc did not change the time for the ZL205A alloy to reach the peak aging hardness (8 h), but the peak aging hardness decreased from 154HV to 141HV. The addition of rare earth La delayed the peak aging time of ZL205A alloy from 8 h to 14 h, but the peak aging hardness increased from 154HV to 161HV. ZL205A alloy with 0.1wt.% rare earth La has better strengthening effect than ZL205A alloy with 0.1wt.% rare earth Sc.

rare earth La; rare earth Sc; ZL205A alloy; aging behavior

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.013

TG136+.1

A

1674-6457(2022)09-0092-05

2022–01–09

李春暉（1979—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為材料成型與控制。

責(zé)任編輯：蔣紅晨