時效工藝對含微量鈧和鋯2023鋁合金組織和力學(xué)性能的影響

鐘繼發(fā)，鄭子樵，羅先甫，程 彬

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

0 引 言

鋁銅鎂系鋁合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料之一［1－2］，向該系合金中添加某些微合金化元素可以調(diào)控其微觀組織從而改善其性能，如添加鋅元素除可以起固溶強化作用之外［3］，還能夠促進(jìn)S′相的析出［4］；同時添加微量鈧和鋯元素不僅可以形成細(xì)小彌散、均勻分布的Al3Sc和Al3（Sc1－xZrx）粒子［5－6］，起到彌散強化的作用，還可以通過釘扎晶界和位錯，阻礙再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，Al3（Sc1－xZrx）粒子還可以成為S′相的形核點，促進(jìn)S′相的細(xì)小彌散析出，從而改善鋁合金的微觀組織和綜合力學(xué)性能［7－8］。

近期，美國鋁業(yè)公司（Alcoa）在傳統(tǒng)2024鋁合金的基礎(chǔ)上，通過添加微量鈧和鋯元素研發(fā)了2023鋁合金，目前，國內(nèi)外對該新型2023鋁合金的研究報道甚少。基于此，作者在實驗室制備了2023鋁合金板材，研究了微量鈧和鋯元素及時效工藝對其組織與力學(xué)性能的影響，并考察了鈧和鋯的微合金化作用。

1 試樣制備與試驗方法

以高純鋁、純鋅、純鎂、鋁－錳、鋁－銅、鋁－鉻、鋁－鈦、鋁－鋯及鋁－鈧中間合金為原料，用石墨坩堝在電阻爐中進(jìn)行熔煉，制備了含鋯、鈧以及不含鋯、鈧的試驗用鋁合金鑄錠，分別記為1＃（2023）合金和2＃合金，其化學(xué)成分如表1所示。將鑄錠進(jìn)行雙級均勻化處理（420℃×8h＋490℃×16h）后再切頭銑面、熱軋、中間退火，最后冷軋至2mm。經(jīng)500℃固溶處理、冷水淬火后進(jìn)行T6（175℃時效）、T8（5%預(yù)變形＋175℃時效）兩種人工時效處理。

表1 試驗合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of tested aluminum alloys（mass）%

顯微硬度測試在MTK1000A型顯微硬度計上進(jìn)行，加載時間為15s，加載載荷為1.96N；拉伸試樣取自板材的縱向，拉伸試驗在MTS858型試驗機上進(jìn)行，拉伸速度為2mm·min－1；顯微組織觀察在Leica型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行；透射電鏡試樣經(jīng)機械減薄后采用體積比為1∶3的硝酸與甲醇的混合溶液雙噴而成，溫度約為－30℃；微細(xì)結(jié)構(gòu)觀察以及微區(qū)成分分析在TECNAI G220型透射電鏡（TEM）及其附帶的能譜儀（EDS）上進(jìn)行，加速電壓為200kV。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 時效硬化曲線

由圖1可見，在T6狀態(tài)下，兩種合金的時效硬化規(guī)律相似，時效初期合金的硬度均隨時效時間的延長而不斷增大，達(dá)到峰值后繼續(xù)時效時，硬度的變化很小，趨于穩(wěn)定。T8狀態(tài)下，合金的硬度達(dá)到峰值后有較大幅度下降，并在時效60h后達(dá)到穩(wěn)定。1＃合金的時效響應(yīng)速度較2＃合金的略快，且硬度較2＃合金的也大，這說明鈧和鋯的添加能加快鋁合金的時效響應(yīng)速度，并提高其時效硬化能力。對于同一種鋁合金，T8峰時效狀態(tài)下的硬度較T6峰時效狀態(tài)下的明顯增大（如，1＃合金在T8峰時效態(tài)下的硬度比T6峰時效態(tài)下的高25HV），說明預(yù)變形有利于提高其時效硬化能力。另一方面，在T8狀態(tài)下，兩種合金的硬度差別不如T6狀態(tài)下的大，說明預(yù)變形的引入減弱了鈧和鋯對2023鋁合金的時效硬化作用。

2.2 拉伸性能

由圖2可知，時效初期兩種合金的抗拉強度和屈服強度均隨著時效時間的延長而不斷增大，當(dāng)達(dá)到峰值后，強度不斷減小，最后趨于穩(wěn)定，而且合金在T8狀態(tài)下達(dá)到峰時效的時間要略短些；另外，兩種合金的伸長率均隨時效時間的延長而不斷下降，最后趨于穩(wěn)定。從圖2（a）中可以看出，T6狀態(tài)下1＃合金的抗拉強度（σb）比2＃合金的高，峰時效時高23MPa；T8狀態(tài)下1＃合金的σb與2＃合金的相差不大。從圖2（b）中可以看出，T6狀態(tài)下1＃合金的屈服強 度 （σ0.2）比 2＃合金的高，峰時效態(tài)下高21MPa，T8峰時效態(tài)下1＃合金的σ0.2比2＃合金的高28MPa。從圖2（c）中可以看出，1＃合金在T6、T8峰時效態(tài)下的伸長率均比2＃合金的大，說明1＃合金的塑性比2＃合金的好。對于同種合金，T8狀態(tài)下的σb及σ0.2均遠(yuǎn)高于T6狀態(tài)下的，但伸長率卻較低，這說明預(yù)變形在提高合金強度的同時，降低了其塑性。試驗合金在T6、T8峰時效態(tài)下的力學(xué)性能如表2所示。

2.3 微觀組織

表2 試驗合金在T6、T8峰時效態(tài)下的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of tested alloys in peak－aging of T6and T8states

從圖3中可以看出，試驗合金在縱截面和橫截面上的變形都非常明顯，在T8狀態(tài)下兩合金均呈典型的纖維狀組織，在T6狀態(tài)下晶粒被拉長。在軋制平面內(nèi)，兩合金中大小晶粒并存，且兩種狀態(tài)下1＃合金中小尺寸晶粒的數(shù)量比2＃合金中的少，1＃合金中的大尺寸晶粒較2＃合金的小；從圖3（b）中可明顯看出2＃合金的再結(jié)晶非常明顯。可見，同時添加鈧和鋯能有效抑制合金的再結(jié)晶。

圖5 1＃合金晶內(nèi)球狀粒子的EDS譜Fig.5 EDS spectrum of spherical particle in 1＃alloy

在T6峰時效態(tài)下，1＃合金晶內(nèi)析出了大量S′相以及球狀粒子，如圖4（a）所示，對球狀粒子進(jìn)行EDS分析（圖5），可知其為Al3（Sc1－xZrx）；2＃合金晶內(nèi)也有棒狀的S′相析出，但其分布較1＃合金中的稀疏且粗大，另外還有少量粗大的棒狀析出相Al6Mn［9］。在T8峰時效態(tài)下，1＃合金晶內(nèi)析出了細(xì)小且均勻分布的S′相，以及細(xì)小彌散的Al3（Sc1－xZrx）粒子，2＃合金中析出S′相的數(shù)量、尺寸與1＃合金中的相差不大，所以其硬度與抗拉強度也相差不大。另外由圖4（c），（d）可以看到，1＃合金中的部分針狀S′相依附 Al3（Sc1－xZrx）粒子生長，可知，鈧和鋯在合金中形成的Al3（Sc1－xZrx）粒子促進(jìn)了2023合金中S′相的析出。通過圖4（a），（b）與圖4（c），（d）的對比可知，兩種合金在T8峰時效態(tài)下存在的強化相S′相比T6峰時效態(tài)下的更彌散細(xì)小，說明預(yù)變形增加了S′相的形核點，促進(jìn)了S′相的彌散析出。

2.4 討 論

2023合金屬于中等銅鎂比的鋁銅鎂系合金，其析出相的脫溶順序為：α過飽和固溶體→α＋GPB區(qū)→α＋S″→α＋S′→α＋S［10］。S′相是2023合金的主要強化相，其主要析出方式為在位錯上非均勻形核析出和以GPB區(qū)為核心均勻形核析出。另外，在含有鈧和鋯的合金中，S′相還可以依附于細(xì)小彌散的Al3（Sc1－xZrx）粒子形核長大。

大量文獻(xiàn)報道［11－13］，在含有鈧和鋯的鋁合金中將析出 Al3（Sc1－xZrx）粒子，F(xiàn)uller等［5］的研究表明該粒子主要以基體的（100）和（110）晶面為慣析面析出。Al3（Sc1－xZrx）粒子具有較高的熱穩(wěn)定性，在2023合金的熔煉鑄造過程中，鈧和鋯優(yōu)先從熔體中析出初生Al3（Sc1－xZrx）粒子，該粒子與基體共格而成為鋁合金中晶粒非均勻形核的核心，能細(xì)化鑄態(tài)晶粒，起到細(xì)晶強化的作用，如圖3（a），（b）所示。另外，在鑄錠的均勻化退火以及其后的熱軋變形甚至固溶后的預(yù)變形過程中，鑄錠中的鈧和鋯過飽和溶質(zhì)原子將析出次生Al3（Sc1－xZrx）粒子，該粒子細(xì)小彌散分布于基體中，起到彌散強化的作用；同時該粒子能有效釘扎晶界、位錯，抑制再結(jié)晶，使合金形成細(xì)小的亞晶組織［14］，如圖3（c～f）所示，從而起到亞結(jié)構(gòu)強化的作用。因此，在T6狀態(tài)下，含有鈧和鋯的1＃合金的硬度、強度比2＃合金的高。另外，1＃合金的時效響應(yīng)速度較2＃合金的快，這是因為合金在固溶后獲得了較多的空位，在鋁合金中添加鋯后，由于鋯原子－空位結(jié)合能高（0.24eV），易與空位結(jié)合［15］。當(dāng)同時加入鋯和鈧時，將降低鈧和鋯彼此在鋁合金基體中的溶解度，促進(jìn)次生Al3（Sc1－xZrx）相的形成，從而釋放出過飽和溶質(zhì)原子鋯或鈧所捕獲的空位，使基體中含有較多的空位，從而加快合金元素在基體中的擴(kuò)散速度，促進(jìn)GPB區(qū)的形成，進(jìn)而促進(jìn)S′相的析出。

在T8狀態(tài)下，試驗合金通過預(yù)變形引入了大量位錯，位錯作為空位湮沒的陷阱，使自由空位的數(shù)量減少，使得T8狀態(tài)下鈧和鋯的以上一些作用減弱，所以兩種合金在T8狀態(tài)下的時效響應(yīng)速度基本一樣。由于大量位錯將成為S′相非均勻形核的位置，從而促進(jìn)了S′相的大量析出，加上位錯纏結(jié)等位錯間的相互作用，使合金形成的再結(jié)晶晶粒較T6狀態(tài)下的更細(xì)小，且含有較多的纖維組織，這就削弱了T8狀態(tài)下鈧和鋯對合金強化的作用。因此，兩種合金在T8狀態(tài)下的硬度以及抗拉強度的差別較小，但其硬度、強度較T6狀態(tài)下的高，而伸長率有所下降。由于1＃合金中含有Al3（Sc1－xZrx）粒子，它能有效釘扎位錯，從而使位錯脫釘滑移時需要更大的應(yīng)力，導(dǎo)致其在T6、T8狀態(tài)下的屈服強度增大。Al3（Sc1－xZrx）粒子對位錯、晶界的釘扎作用易使合金在熱軋、冷軋過程中呈現(xiàn)強的變形織構(gòu)，使滑移易于穿過晶界，減少位錯在晶內(nèi)的滑移距離，從而減弱晶界處位錯塞積和應(yīng)力集中的程度，改善合金的塑性。所以在兩種時效制度下，1＃合金的伸長率比2＃合金的都大。從圖2中還可以看出預(yù)變形對2＃合金強度提高的幅度比對1＃合金（2023合金）提高的幅度大，這主要是因為 Al3（Sc1－xZrx）粒子降低了合金性能對時效制度的敏感性造成的。

3 結(jié) 論

（1）2023合金在T8峰時效態(tài)下的硬度、抗拉強度以及屈服強度分別比T6峰時效態(tài)下的高25HV、37MPa、108MPa，但 伸 長 率 卻 降 低 了67%。

（2）鈧和鋯的添加能使合金中形成細(xì)小彌散分布的 Al3（Sc1－xZrx）粒子，促進(jìn)S′相均勻細(xì)小地析出，而且該粒子能有效釘扎位錯，細(xì)化晶粒，抑制晶粒再結(jié)晶和長大，使合金獲得較少的再結(jié)晶組織。

（3）微量鈧和鋯能加快2023合金在T6態(tài)下的時效響應(yīng)速度，提高其時效硬化能力，并改善其強度和塑性；但在T8態(tài)下，隨著位錯的大量引入，鈧和鋯的這些作用被減弱。

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