Sc、Zr復合添加量對Al-6Mg-0.6Mn合金鑄態(tài)組織的影響

佟有志,路麗英,叢福官,王海彬,韓 嘯,付金來

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

含Sc鋁合金具有高的強度和韌性、優(yōu)異的可焊性和耐蝕性[1-3],備受航天航空和船艦等國防軍工尖端領域新型號裝備設計人員的青睞。國內外對此進行了大量的研究,在鋁合金復合添加適量的Sc、Zr元素不但能明顯細化鑄態(tài)晶粒,而且適量的Sc、Zr元素能夠在鋁合金中形成過飽和固溶體,在后續(xù)的熱加工及熱處理過程中能夠形成彌散析出的強化粒子,對鋁合金起到強烈的改性作用[4-6]。研究表明[6-8],在鋁合金組織中通過控制Al3(Sc,Zr)初生相的形貌和尺寸,能夠使其成為鋁合金熔體凝固過程中異質形核的核心,對鑄態(tài)組織和加工性能產(chǎn)生明顯的影響[9-11]。同時,通過調控Sc、Zr元素的復合添加量也會對Sc和Zr元素在α(Al)基體中的固溶程度產(chǎn)生影響,可進一步調節(jié)后續(xù)熱加工及熱處理過程中彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子的形態(tài)、數(shù)量等,最終起到提高合金強度、耐腐蝕性等綜合性能的作用[12-14]。

鋁合金熔鑄過程中,熔鑄溫度及熔體在冷凝過程中的冷卻速率均會對合金組織中的相形貌產(chǎn)生影響。本實驗以不同Sc元素與不同Zr元素復合添加量的Al-6Mg-0.6Mn合金作為試驗合金,研究Sc、Zr復合添加量對 Al-6Mg-0.6Mn合金鑄態(tài)組織及板材性能的影響,重點闡明試驗合金在制備過程中的熔鑄溫度、冷卻速率對含Sc、Zr的Al-6Mg-0.6Mn合金組織中含Sc初生相的影響,為工業(yè)化合金成分設計及工業(yè)化制備提供數(shù)據(jù)支持。

1 試 驗

研究設計了不同Sc、Zr復合添加量的試驗合金,名義成分配制如表1所示。

表1 試驗用 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金名義成分(質量分數(shù)/%)

所用原料為高純鋁(99.99%)、工業(yè)純鎂(99.9%)、Al-Zr中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Sc中間合金。首先將高純鋁、Al-Mn中間合金放入石墨坩堝,在電阻坩堝爐中熔煉,待高純鋁、Al-Mn中間合金熔化后,繼續(xù)升高熔體溫度,加入Al-Zr中間合金和Al-Sc中間合金,充分保溫并攪拌后,將熔煉溫度降至740 ℃,加入工業(yè)純鎂,除去表面浮渣后,靜置。根據(jù)實驗需要,分別進行了不同Sc、Zr添加量的試驗合金的澆鑄,澆鑄溫度為720 ℃,模具溫度為220 ℃,合金中添加元素實際含量見表2。澆鑄的試樣尺寸均為40 mm×60 mm×170 mm,鑄錠經(jīng)過銑面后,進行均勻化退火,然后軋制成6 mm厚板材。

表2 試驗合金添加元素含量

金相樣品經(jīng)金相砂紙機械拋光后,進行電解拋光和陽極覆膜,在POLYVER-MET光學顯微鏡下進行偏振光組織觀察。電解拋光液成分(體積分數(shù))為10%HClO3+90%無水乙醇,拋光時電壓設置為28 V,拋光時為30 s;采用的覆膜液成分(體積分數(shù))為38%H2SO4+43%H2PO3+19%H2O,電壓采用20 V,覆膜時間為2 min。

2 結果與討論

圖1為試驗合金的低倍組織照片。圖2為試驗合金鑄態(tài)偏光組織照片。

圖1 試驗合金的鑄態(tài)低倍組織照片

圖2 試驗合金的鑄態(tài)偏光組織照片

由圖1和圖2可見,隨著Sc含量的添加鑄態(tài)晶粒逐漸細化,1#合金鑄態(tài)組織晶粒最粗大,其高倍組織中可以看到清晰的枝晶網(wǎng)狀結構。2#合金的鑄態(tài)組織為均勻的等軸晶,枝晶網(wǎng)狀結構完全消失。1#、2#、3#、4#試樣的平均晶粒尺寸分別為200 μm、53 μm、56 μm和60 μm。當Zr含量相同時,w(Sc)為0.15%和0.20%的鑄態(tài)組織晶粒尺寸相差不大。而當Zr含量略有降低,w(Sc)為0.23%時,晶粒尺寸有輕微粗化。

復合添加Sc元素與Zr元素能夠顯著細化Al-6Mg-0.5Mn合金的組織,這主要是由于Sc元素和Zr元素在鋁合金中發(fā)生反應,從熔體中析出Al3(Sc,Zr)化合物質點,Al3(Sc,Zr)化合物尺寸小、密度大、分布均勻,與基體共格,具有AuCu3型立方結構,與鋁基體的晶格錯配度很小。在正常凝固時,這種質點尺寸為1～15 nm,是α-Al結晶時的理想形核核心,可以起到異質形核的作用[15]。

圖3為不同Sc、Zr復合添加量的試驗合金鑄態(tài)金相組織。

圖3 試驗合金的鑄態(tài)金相組織照片

從圖3可以看到,1#、2#、3#和4#合金均存在大量灰白色條塊狀相,在4#合金中還觀察到了較為聚集的近似正方形、矩形、三角形等按共邊、共頂點等組合形式聚集的深色第二相,從形貌特征上推斷為含Sc相。

為進一步確定上述金相組織中觀察到的第二相的種類,選擇1#和4#合金組織中典型形貌的第二相進行了能譜分析,見圖4所示。

圖4 典型第二相的能譜分析

由圖4可以看到:在本次試驗條件下,當w(Sc)=0.12%,w(Sc+Zr)=0.20%時(1#合金),合金中沒有觀察到含Sc相;當w(Sc)增加到0.23%,w(Sc+Zr)=0.31%時(4#合金),合金中出現(xiàn)了尺寸20 μm左右且聚集存在的含Sc相,能譜分析結果顯示其為Al3(Sc,Zr)相。

金屬凝固理論指出,在金屬熔體凝固過程中能夠作為異質形核核心的質點一般具備以下三個特點:與基體具有界面共格性,在熔體內均勻分布熔點高,在熔體中優(yōu)先析出。

在本研究中,Sc元素與鋁熔體形成的初生含Sc化合物正好滿足了這三個條件,該含Sc化合物質點為AuCu3型立方結構,點陣常數(shù)a=0.410 nm,其晶體結構和晶格常數(shù)均與鋁基體極為相近,因此在合金凝固時,這種質點是α-Al結晶時的理想晶核,可以起到異質形核的作用。在Al-Mg-Mn合金中復合添加Sc和Zr時,Zr替代Al3Sc中的部分Sc形成Al3(Sc,Zr)三元化合物,這種化合物與Al3Sc有相同的晶體結構,而且更穩(wěn)定。合金凝固過程中,只有從熔體中析出一定數(shù)量的、彌散細小的初生Al3(Sc,Zr)相才能作為結晶時的理想晶核,因此復合添加Sc和Zr的 2#、3#和4#合金與1#合金相比,其鑄態(tài)晶粒得到了明顯的細化,而1#合金的鑄態(tài)組織仍存在較明顯的枝晶網(wǎng),見圖2。但比較2#、3#和4#合金的鑄態(tài)組織可以看到,并非是Sc、Zr含量越高對鑄態(tài)晶粒的細化作用越好,因為在一定的凝固速度條件下,過剩的Sc、Zr元素會以大尺寸的初生相形式從基體里析出,這種微米級的Al3(Sc,Zr)初生相已經(jīng)起不到晶粒細化的作用,反而由于這種大尺寸的Al3(Sc,Zr)初生相的存在,對合金的綜合性能起到不良影響。這是因為,鑄態(tài)組織中這種微米級的Al3(Sc,Zr)初生相一旦存在,在后續(xù)生產(chǎn)工序中無法消除或弱化,將惡化組織的均勻性和連續(xù)性;另外,該粗大Al3(Sc,Zr)初生相的生成必然會降低合金中Sc、Zr細化鑄態(tài)組織的作用。這一現(xiàn)象在4#合金中得以驗證。

3 結 論

1)在試驗合金中添加w(Sc)=0.15%和w(Zr)=0.11%即可消除鑄態(tài)枝晶網(wǎng),強烈細化鑄態(tài)晶粒組織。

2)Al-6Mg-0.6Mn合金凝固時熔體中析出的微米級Al3(Sc,Zr)初生相,不但不能作為合金凝固時異質形核核心細化鑄態(tài)晶粒,反而會惡化合金組織。因此,在設計合金成分及生產(chǎn)過程中,要嚴格控制微米級粗大Al3(Sc,Zr)初生相的產(chǎn)生。