復合添加微量Er,Y對Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板組織與力學性能的影響

李國鋒,張新明,朱航飛

(1中南大學材料科學與工程學院,長沙410083;2中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室,長沙410083)

復合添加微量Er,Y對Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板組織與力學性能的影響

李國鋒1,2,張新明1,2,朱航飛1,2

(1中南大學材料科學與工程學院,長沙410083;2中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室,長沙410083)

采用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、硬度測試和室溫拉伸等分析技術研究了在A l2Zn2M g2 Cu2Zr合金中復合添加微量稀土元素Er和Y對其組織與力學性能的影響。結果表明:在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加適量的Er和Y能顯著抑制合金再結晶,延緩合金峰值時效的時間,增強合金時效強化的效果。在Al2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加總量為0.4%(質量分數)的Er和Y能使合金軋制板的抗拉強度提高到624.4M Pa,屈服強度達到602.9M Pa,延伸率達12.5%,使合金軋制板具有較好的綜合力學性能。

A l2Zn2M g2Cu2Zr合金;微合金化;組織;力學性能

微合金化是獲得高強韌鋁合金材料的重要途徑之一[1]。通過微合金化使合金產生固溶強化、第二相強化和細晶強化的效果。在鋁合金中添加微量的Zr, Sc,Ag和Li等元素形成鋁化合物,能顯著細化晶粒,抑制合金再結晶,強化鋁合金基體[2-9]。近幾年國內也有學者從充分利用本國資源出發,開展了采用Er和Y等稀土元素對鋁合金進行微合金化的研究[10-12],通過研究發現,稀土元素Er在A l2M g合金中具有與Zr和Sc相似的作用,能細化晶粒,顯著提高鋁合金的屈服強度和抗拉強度,但延伸率略有下降;Y也能顯著細化晶粒,減小共晶化合物尺寸,有效改善合金的沖擊韌性。張新民等人研究表明[13],在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加適量的Er和Y能明顯細化合金的鑄態組織。本工作在前期研究工作的基礎上,研究了復合添加微量Er和Y對合金板材固溶再結晶分數、時效、組織及力學性能的影響。

1 實驗

實驗合金按表1名義成分配制。配料采用高純鋁,工業純鋅,工業純鎂,A l2Cu,A l2Zr及A l2Er2Y中間合金,以A l2Ti2B為細化劑。合金的熔煉在石墨坩堝電阻爐內進行,熔化溫度780～800℃,精煉溫度730～740℃,鑄造溫度710～720℃,除氣劑采用C2Cl6,在鐵模中鑄造。合金的均勻化處理和時效處理采用空氣電阻爐,固溶處理采用鹽浴爐。

表1 實驗合金的名義化學成分(質量分數/%)Table 1 Nominal chemical composition of the tested alloys(mass fraction/%)

將鑄態試樣進行二級均勻化處理:隨爐升溫至465℃保溫24h,之后隨爐升溫至475℃保溫4h。隨后經預熱軋至2mm薄板,總變形量達85%。固溶處理工藝:473℃保溫1h,出爐水冷。時效處理工藝:先在120℃保溫不同時間,測出表1中三種合金的時效硬度曲線,確定其峰值硬度時效時間,然后在峰值硬度時效下測定力學性能。時效前試樣在室溫停留時間小于48h。

薄板試樣經固溶和峰值時效后,使用Graff Seagent試劑腐蝕,在XJP26A型光學顯微鏡下觀察其再結晶組織;按GB/T228—2002制作拉伸試樣,在CSS244100電子萬能試驗機上進行拉伸實驗;在7501渦流電導儀上測量電導率;在HV210B小負荷維氏硬度計上測量硬度。采用TecnaiG220型透射電鏡觀察時效態組織;在KYKY22800型掃描電鏡上觀察拉伸斷口。

2 實驗結果

2.1 合金板材的時效硬化曲線

圖1所示為三種合金板材在120℃下測試的時效硬化曲線。合金1,2,3板材到達峰值硬度的時效時間分別為21,22,24h,可見隨Er和Y含量的增加,板材達到峰值硬度的時效時間延長,且添加Er和Y的板材的峰值硬度明顯高于不含Er和Y的,這說明隨Er和Y復合添加量的增加,加速了時效過程,并強化了時效效果。

圖1 實驗合金的時效硬度曲線Fig.1 Curves of hardness vs aging time at 120℃fo r the tested alloys

三種合金板材經峰值時效后測定硬度和電導率,結果如表2所示?？梢?號合金板的硬度最高,3號合金板的次之,1號合金板的最低,但三者的電導率基本沒有什么變化。表明適量的Er和Y對峰值時效硬度有明顯影響,但對峰值時效態的電導率影響不大。這可能是因為影響合金電導率的因素較多,合金的電導率不僅受基體固溶度的影響,更受到基體組織中位錯、應力場等因素的影響。

表2 實驗合金的峰值時效硬度與電導率Table 2 Hardness and conductivity of the tested alloys after aging fo r upper2peak hardness

2.2 合金板的再結晶組織

圖2所示為三種合金板材經軋制、固溶、峰值時效處理后其組織再結晶情況。由于時效溫度低,在時效過程中不可能發生再結晶,因此時效態的再結晶組織形貌與固溶態的再結晶組織形貌應該是一致的,只是時效態組織中分布有時效析出相。由圖2可見,Graff Sargent試劑優先腐蝕晶界和亞晶界,未再結晶部分含有大量亞結構而被腐蝕呈黑色,已經再結晶的組織難以腐蝕而呈白色。經觀察和測試可知,未添加Er和Y的1號合金板再結晶組織最多,其再結晶組織體積分數大約為48%;添加了較多的Er和Y的3號合金板再結晶組織最少,大約為28%;說明在A l2Zn2M g2Cu2 Zr合金中復合添加微量的Er和Y能明顯抑制合金再結晶。

2.3 合金板的時效態組織

合金經固溶時效后的金相組織如圖3所示。由圖3可見,未添加Er,Y的1號合金板未溶第二相很少,再結晶組織較粗大;復合添加Er,Y后的2號合金板未溶第二相增多,再結晶組織有所細化;隨Er,Y添加量增加,3號合金板的未溶第二相最多,而再結晶組織最細小。這說明在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加微量的Er,Y有利于細化合金再結晶組織,但同時使合金板材中殘留的第二相化合物增多。根據文獻[11,14],這些未溶相主要是含Er,Y的稀土化合物,它們主要沿晶界分布,在一定程度上能阻止再結晶組織的長大。

圖4所示為1號合金板與3號合金板經峰值時效后的微觀組織在透射電鏡下的觀察結果?？梢妰煞N合金的基體組織上均分布有大量的沉淀析出相,1號合金板中的晶界析出相較粗大,且不連續;3號合金板中的晶界析出相較細小,且基本上不連續。

2.4 合金板的力學性能

2.4.1 室溫拉伸性能

三種合金板經峰值時效后其組織有明顯差異,因此其力學性能也不同,在室溫下對三種合金板進行拉伸實驗,其強度和延伸率如表3所示。可見2號合金板的抗拉強度比1號合金板提高了12.8%,屈服強度提高了10.9%,但延伸率降低了15.1%;3號合金板的抗拉強度比1號合金板提高了12.4%,屈服強度提高了13.9%,但延伸率降低了30.2%。雖然3號合金板的延伸率較1號合金板明顯降低,但仍然達到了12.5%,說明3號合金板在大幅度提高了強度的同時仍保持較高的延伸率。因此,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加適量的Er,Y能使合金具有良好的綜合力學性能。

圖4 時效態合金的微觀組織(a)合金板1;(b)合金板3Fig.4 TEM images of the microstructures of the peak2aged alloy p lates (a)alloy p late 1;(b)alloy p late 3

A lloyσb/M Paσ0.2/M Paδ/% 1 555.5 529.5 17.9 2 626.7 587.3 15.2 3 624.4 602.9 12.5

2.4.2 拉伸斷口形貌

為了比較添加Er,Y前后合金板的拉伸斷口形貌的差異,對1號和3號合金板的拉伸斷口進行掃描觀察,結果如圖5所示?？梢?1號合金板主要是穿晶韌窩型斷裂,韌窩大且深;而3號合金板出現沿晶斷裂,穿晶韌窩斷裂的韌窩小且較淺,甚至有少部分沿未再結晶處斷裂。這說明在合金中復合添加Er和Y能明顯改變合金的韌性。

圖5 實驗合金的拉伸試樣斷口形貌(a)合金板1;(b)合金板3Fig.5 SEM images of the fracture surfaces of the tested alloys peak2aged (a)alloy plate 1;(b)alloy plate 3

3 分析與討論

3.1 Er,Y微合金化對合金組織的影響

一般認為在鋁合金中添加微量元素主要是為了細化晶粒,抑制再結晶,強化鋁合金基體,提高合金耐腐蝕性能,以及穩定合金組織提高淬透性等。從圖2來看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加適量的稀土元素Er,Y能明顯地抑制合金再結晶,而且Er和Y含量越高,這種抑制作用越顯著。這是因為Er和Y的原子半徑均大于A l,Zn,M g,Cu,Zr的原子半徑,它們在鋁基體中的最大平衡固溶度分別只有0.05%[15]和0.04%[16];元素的半徑越大、價電子數越多,與空位的結合能就越大。因此,明顯降低了合金的空位濃度,使A l原子的自擴散速率減小,阻礙A l原子擴散,從而有效地抑制了合金的再結晶過程。大量未溶入基體的Er,Y元素在晶界偏聚,阻礙晶界的運動。同時,文獻[13]研究表明,由于Er,Y的加入,一方面在鑄造時形成了含Er,Y的稀土共晶化合物,這些共晶化合物在均勻化處理后仍有較多殘留,經軋制后破碎成細小顆粒,沿晶界分布,如圖3所示,在合金回復時它們能促進再結晶晶粒形核,增加了晶核形核率;另一方面在均勻化處理時基體中過飽和的Er,Y元素析出,與A l,Cu等元素結合形成細小的第二相,在再結晶過程中能阻止亞晶界遷移和合并,使已形核的再結晶晶粒難以進一步長大。兩方面的綜合作用使得Er,Y在合金中起到了抑制再結晶、細化晶粒和提高位錯密度的作用。由此可見,在Al2Zn2Mg2Cu2Zr合金中復合添加適量的Er和Y對提高合金的強度是非常有利的。

然而,比較2號和3號合金板的拉伸力學性能可知,當Er,Y總添加量從0.2%(質量分數,下同)增加到0.4%時,抗拉強度變化很小,屈服強度提高了217%,但延伸率降低了17.8%,可見過多地添加Er, Y含量對力學性能是不利的。這是因為Er,Y含量過高時,合金均勻化后會殘留太多的金屬間化合物,這些化合物本身斷裂強度低,脆性大,在變形及斷裂過程中起著裂紋源的作用,如圖5(b)所示,而且Er,Y含量增加造成未再結晶組織增多,位錯多,應力集中大,也容易導致裂紋產生,對延伸率極為不利,因此Er,Y的添加量應保持在合理的水平。

3.2 Er,Y微合金化對合金時效強化的影響

從圖1來看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加稀土元素Er,Y明顯推遲了合金時效到達峰值硬度的時間,且添加Er,Y的合金的峰值硬度明顯高于不含Er,Y的合金。這是因為加入Er,Y元素后,Er和Y原子與合金中的空位結合能高,容易與空位結合,使空位濃度減少,加之時效溫度低,使得原子自擴散速率降低,第二相析出速率減慢,所以到達峰值硬度的時效時間延長。與此同時,添加Er,Y后,部分Er和Y以固溶的形式存在于鋁基體中,相對增加了鋁基體的溶解量,尤其是Y的加入使得Cu和M g在鋁基體的固溶度下降[17],促使M g會有更多的析出,即允許有更多的第二相M gZn2時效析出,提高了合金的時效硬度,增強了合金時效強化的效果。此外,從圖4也可以看出,3號合金板比1號合金板的晶界時效析出相更細小,說明由于3號合金板的時效析出速率較緩慢,時效析出相難以長大,使得3號合金板的強化效果更好。

然而,當Er,Y添加量過度增加時,合金均勻化后會殘留大量的金屬間化合物,使合金經固溶處理后基體中Cu和M g的固溶度嚴重下降,反而會減少第二相的時效析出,而且析出的速率會更加緩慢,因此盡管到達峰值硬度的時效時間被延長,但峰值硬度并不會增加,反而會有所降低。所以從這個意義上來說,也要求Er,Y的添加量應保持在合理的水平,不能太高。

4 結論

(1)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加微量的稀土元素Er,Y能顯著阻礙合金的再結晶,且適量添加Er,Y抑制合金再結晶的效果明顯。

(2)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加微量的稀土元素Er,Y延長了合金峰值時效的時間,促使合金有更多的第二相時效析出,增強了合金時效強化的效果。

(3)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中復合添加適量(總量<0.4%)的稀土元素Er,Y使合金具有較好的綜合力學性能:抗拉強度達到624.4M Pa,屈服強度為60219M Pa,延伸率12.5%,明顯超過未添加微量元素的同類合金板的力學性能。

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Effects of M inor Er and Y Addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr A lloy on M icrostructures and Mechanical Properties

L IGuo2feng1,2,ZHANG Xin2m ing1,2,ZHU Hang2fei1,2
(1 School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083, China;2 Key Laboratory of Non2Ferrous Metal M aterials Science and Engineering, M inistry of Education,Central South U niversity,Changsha 410083,China)

Effectsof minor Er and Y addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy on themicrostructures and me2 chanical p ropertieswere investigated by meansof op ticalmicroscopy(OM),scanning electron micros2 copy(SEM),transm ission electron m icroscopy(TEM),hardness test and tensile p ropertiesmeasure2 ment.The results indicate thatminor Er and Y addition to the alloy evidently restrains the recrystalli2 zation of the tested alloys,delays the peak aging time and enhances the strengthening effect by aging. When the total addition of Er and Y is 0.4%(mass fraction),theσb,σ0.2andδof the tested alloy are 624.4,602.9M Pa and 12.5%,w hich are greatly imp roved compared w ith the addition2free.

A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy;minor element addition;microstructure;mechanical p roperty

TG166.3

A

100124381(2010)0520078205

國家重點基礎研究發展規劃項目(2005CB623700)

2009205211;

2010203210

李國鋒(1962—),男,教授,博士研究生,主要從事鋁合金材料加工研究,聯系地址:湖南長沙市開福區洪山路98號長沙學院教務處(410003),E2mail:lgf1008@ccsu.cn