對稱成分Zn－Al合金失穩分解組織的穩定性

鄭 毅，石曉東，任玉平

(1.中航工業沈陽飛機工業 (集團)有限公司，沈陽 110850;2.中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043;3.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819)

對稱成分Zn－Al合金失穩分解組織的穩定性

鄭 毅1，石曉東2，任玉平3

(1.中航工業沈陽飛機工業 (集團)有限公司，沈陽 110850;2.中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043;3.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819)

利用光學顯微鐿、掃描電鏡和透射電鏡對Zn－38%Al(質量分數)二元合金300℃的失穩分解組織進行了研究.結果表明，對稱成分Zn－Al二元合金的失穩分解組織呈筏狀.且隨著保溫時間的延長，只發生連續粗化，而不發生不連續粗化，不同于Cu－Ni－Fe合金的失穩分解組織特征及演變過程.連續粗化組織中的fcc富Zn相尺寸與時間的1/2次方成正比，意味著粗化過程是由體擴散控制.

Zn－Al合金;失穩分解;連續粗化;體擴散

獲得細晶、超細晶組織，尤其是納米晶組織已經成為材料科學追求的一個重要目標，而失穩分解作為制取納米晶組織的一種固態相變法而受到廣泛關注［1］.作為一個典型的具有失穩分解特征的體系，Cu－Ni－Fe三元合金失穩分解組織特征及其穩定性得到了系統的研究［2～6］.但是，Cu－Ni－Fe合金失穩分解組織在保溫過程中很快就發生了不連續粗化，使獲得的納米晶組織特征消失.而發生失穩分解的一個重要前提是在該體系相圖中存在溶解度間隙.在Zn－Al二元相圖中［7］，在277～350℃存在一個穩定的溶解度間隙，這意味著Zn－Al二元合金有可能通過失穩分解而獲得納米晶組織.但是，如果其中一相的體積分數較小，則該相就會以離散的粒狀形態析出，而以另一相為基體;雖然通過控制合金發生失穩分解的溫度與時間，有可能控制析出相的尺寸，但基體仍為原固溶體的尺寸.如果失穩分解形成的兩相組織體積分數相等，那么兩相組織就會彼此相隔、尺寸相同，這樣的兩相組織就都有可能控制在納米量級.根據Zn－Al二元相圖可知［7］，Zn－38%Al (質量分數)合金在溫度高于351.5℃時可形成單相固溶體，在適當的溫度能通過失穩分解形成兩相體積分數大致相等的組織，故稱之為對稱合金.這種彼此相隔的兩相組織有可能控制在納米量級.郝士明研究組對該成分合金在277℃以下的組織演變進行了系統的研究［8～11］，但對其在277℃以上發生失穩分解的組織特征并沒有關注［12］.同時，任何一種超細組織都存在一個組織穩定性的問題.因此，本文對Zn－38%Al(質量分數)合金經400℃固溶處理后，在300℃保溫不同時間的組織進行了研究，以獲得Zn－Al系合金失穩分解的組織特征及其穩定性，從而為該合金系利用固態相變制備納米組織提供有價值的信息.

1 實驗方法

本實驗合金的原料為高純鋁(99.999%)和高純鋅(99.999%).用3kW電阻加熱爐在高純剛玉坩堝中熔化后，澆注在鐵模中.鑄錠經過成分均勻化與開坯處理，最終熱軋成4.25 mm的板狀試樣.試樣在400℃固溶處理2h后立刻放到300℃的鹽浴爐中分別保溫10 min、300、500、800、1 000、1 350和1 800 h，然后水淬.采用光學顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡對所獲得的試樣進行組織觀察.

金相試樣的制備步驟為:從 200#粒度到1 000#粒度的水磨砂紙進行機械研磨，隨后以分析純MgO懸濁液為拋光劑進行機械拋光，經拋光后的試樣還需在麂皮上以粒度更細的MgO精拋，然后腐蝕.腐蝕劑為混合酸(2 mL HF+3 mL HCl +5 mL HNO3+250 mL H2O).顯微組織觀察采用Versamet－2光學顯微鏡和 Philips XL－30 FEG掃描電子顯微鏡(SEM).

薄膜試樣的制備方法如下:首先從塊狀試樣上用線切割機切出厚度為0.35 mm的薄片;然后在200#～1 000#的砂紙上磨薄到0.05 mm，并用小沖床沖出直徑為3 mm的圓片;最后采用電解雙噴減薄.電解液為20%的高氯酸和80%的甲醇混合液，此操作在－35℃和電壓20V下進行.顯微組織觀察采用Philips EM 400T透射電子顯微鏡(TEM).

2 結果與討論

Zn－38%Al對稱成分二元合金在400℃固溶處理2 h后，在300℃保溫處理10 min的透射電子顯微形貌，如圖1所示.與Cu－Fe－Ni系合金的編織狀組織不同［2］，Zn－38%Al合金的失穩分解組織呈筏狀，尺寸約為80 nm.這是由Zn－Al合金彈性模量各向同性導致的，沒有成分調幅擇優取向.對稱成分合金失穩分解后的兩相組織體積分數基本相等，所以互為基體相.

圖1 Zn－38%Al合金在300℃保溫10 min時的失穩分解組織(TEM)Fig.1 Spinodal microstructure of Zn－38%Al alloy at 300℃ for 10 min

Zn－38%Al對稱成分二元合金試樣在300℃分別保溫處理 300、500、800、1 000、1 350和1 800 h，利用金相顯微鏡進行組織觀察，如圖2所示.隨著保溫時間的延長，失穩分解組織發生了連續粗化.當保溫時間為300 h時，粗化后失穩分解組織保留原始失穩分解組織的筏狀形貌，平均尺寸約為1.5 μm;保溫時間為800 h時，筏狀組織繼續長大，同時開始球化，在局部形成了粒狀組織，平均尺寸約為2 μm;到1 800 h時，粒狀組織聚集長大，轉變為相對粗大的粒狀組織，平均尺寸約為3.5 μm.這表明在1 800 h內對稱成分Zn－38%Al二元合金的失穩分解組織的粗化過程是一個連續粗化過程，并沒有發生不連續粗化，但粗化組織是不均勻的.

隨后對粗大的失穩分解組織進行了掃描電鏡組織分析，圖3表明了Zn－38%Al對稱成分合金在300℃保溫800 h和1 800 h后的組織形貌.保溫800 h時，只是筏狀組織在局部開始球化，形成了粒狀組織.而隨著時間延長至1 800 h后，粒狀組織發生粗化和聚集.同時還發現fcc結構的富Al和富Zn相中均有細小β(Zn)相粒子析出.由于在300℃保溫過程中只可能發生失穩分解及失穩分解組織的粗化，而水淬的冷速較大，不可能在水冷的1、2秒間發生析出.由于經水淬得到的失穩分解組織的兩相具有極高過飽和度，所以在室溫下很容易發生析出，分別從fcc結構的富Al和富Zn相中析出hcp結構的β(Zn).發生的反應分別為:α(Al)→Al+β(Zn);α(Zn)→α(Al)+ β(Zn).這意味著失穩分解兩相中的析出是在室溫下發生的.因此，300℃等溫處理長時間形成的粗化組織也是由fcc結構的富Al和富 Zn兩相組成.一般來說，失穩分解過程是一個體擴散控制的過程，所以其粗化也應該是一個與體擴散密切相關的過程.圖4表明了Zn－38%Al對稱成分合金在300℃保溫不同時間時，所測得的fcc結構富Zn相的平均直徑與保溫時間t的平方根的關系.Zn－38%Al對稱成分合金失穩分解組織粗化后的相尺寸與保溫時間的平方根呈線性關系，曲線經過原點.這意味著Zn－38%Al對稱成分合金失穩分解組織的粗化過程也是由體擴散控制.

圖2 Zn－38%Al合金300℃失穩分解組織的連續粗化形貌Fig.2 Continuous coarsening feature of spinodal microstructure in the Zn－38%Al alloy at 300℃(a)—300 h;(b)—500 h;(c)—800 h;(d)—1 000 h;(e)—1 350 h;(f)—1 800 h

3 結論

(1)對稱成分的Zn－Al二元合金300℃的失穩分解組織是筏狀組織.這是由Al－Zn二元合金的彈性模量各向同性所致，失穩分解過程中成分調幅沒有擇優取向.

圖3 Zn－38%Al合金在300℃保溫800 h和1 800 h時粗化的失穩分解組織Fig.3 Coarsening spinodal microstructures of Zn－38%Al alloy at 300℃ for 800 h and 1 800 h(a)—800 h(SE);(b)—1 800 h(BSE)

圖4 Zn－38%Al合金失穩分解組織中fcc結構的富Zn相直徑與保溫時間的關系曲線Fig.4 Curve between the average diameter of Zn－rich phase with fcc structure and holding time in the continuous coarsening spinodal microstructures of Zn－38%Al alloy

(2)發生失穩分解的Zn－Al合金在300℃繼續保溫過程中要發生粗化，與 CuNiFe合金中得到失穩分解的組織不同，只發生連續粗化，不發生不連續粗化.

(3)合金的連續粗化組織的相尺寸與時間的關系表明，粗化組織的相尺寸與時間的1/2次方成正比，說明粗化過程是由體擴散控制的.

［1］王笑天，任曉兵，衛英慧.合金連續相變研究的最新進展［J］.稀有金屬材料與工程，1995，24(3):1－11.

(Wang Xiaotian，Ren Xiaobin，Wei Yinhui.Recent advance on studies of continuous transformation in alloys［J］.Rare Metal Materials and Engineering，1995，24(3):1－11.)

［2］Butler E P，Thomas G.Structure and properties of spinodally decomposed Cu－Ni－Fe alloys［J］.Acta Metallurgica，1970，18(3):347－365.

［3］Gronsky R， ThomasG. Discontinuouscoarsening of spinodally decomposed Cu－Ni－Fe alloys［J］.Acta Metallurgica，1975，23:1163－1170.

［4］李洪曉，趙剛，郝士明.失穩分解法制備雙相納米晶合金［J］.中國有色金屬學報，1998，8(S1):45－48.

(Li Hongxiao，Zhao Gang，Hao Shiming.Manufacture of two－phase nanostructured alloy by spinodal decomposition［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，1998，8 (S1):45－48.)

［5］FindikF， FlowerH M. Microstructure and hardness development in Cu－30Ni－2.5Cr and Cu－45Ni－10Cr spinodal alloys［J］.Mater Sci Tech，1992，8(3):197－205.

［6］Li H X，Hao X J，Zhao G，et al.Characteristics of the continous coarsening and discontinuous coarsening of spinodally decomposed Cu－Ni－Fe alloy［J］.Journal of Materials Science，2001，36(3):779－784.

［7］Murray J L.Alminum and Zinc，Binary Alloy Phase Diagrams［M］.eds.Massalski T B，Okamoto H，Subramanian P R，Kacprzak L.OH44073，USA，ASM，1990，1:239.

［8］任玉平，丁樺，郝士明，等.Al－Zn對稱成分合金不連續析出組織的再結晶［J］，中國有色金屬學報，2002，12(4): 779－783.

(Ren Yuping， Ding Hua， Hao Shiming， et al.Recrystallization of cold deformed discontinuous precipitation microstructure in symmetrical Al－Zn alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2002，12(4):779－783.)

［9］Hao Shiming，Ren Yuping，Wang Dapeng，et al.Effect of Cu on discontinuous precipitation of a symmetrical AlZn alloy［J］.Journal of Materials Science and Technology，2005，21 (2):215－218.

［10］Hao Shiming，Ren Yuping，Ding Hua，et al.Equilibrium phase constituents and discontinuous precipitation behavior of Al－Zn－Cu alloy with symmetrical composition［J］.Journal of Materials Science and Technology，2003，19(5):419－421.

［11］任玉平，丁樺，郝士明.Al－Zn－Cu系合金不連續析出組織變形后的結構與性能［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34(5):721－725.

(Ren Yuping，Ding Hua，Hao Shiming.Structure and property of Al－Zn－Cu alloy with discontinuous precipitation［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2005，34(5): 721－725.)

［12］Hao Shiming，Ren Yuping，Li Hongxiao，et al.Effect of Cu on the spinodal decomposition of AlZn alloy with symmetrical composition ［J］. Journal of Materials Science and Technology，2005，21(6):836－840.

Stability of spinodal decomposition microstructure in the symmetrical Zn－Al alloy

Zheng Yi1，Shi Xiaodong2，Ren Yuping3

(1.AVIC Shenyang Aircraft Corporation，Shenyang 110850，China; 2.AVIC Shenyang Liming Aero－engine(Group)Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China; 3.Key Laboratory of Anisotropy and Texture of Materials(Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The spinodal decomposition microstructures in the Zn－38%Al alloy(mass percent)were investigated at 300℃ by means of optical microscopy，scanning electron microscopy and transmission electron microscopy.The results showed that the spinodal decomposition microstructure appears raft－like in the symmetrical Zn－Al alloy treated at 300℃.Only the continuous coarsening of spinodal microstructure occurs，and there is no discontinuous coarsening，which is different from the evolution and feature of spinodal microstructure in the Cu－Ni－Fe alloys.The relationship between size of Zn－rich phase with fcc structure and square root of holding time is linear，which means that the coarsening of spinodal microstructure is controlled by the bulk diffusion in the symmetrical Zn－Al alloy.

Zn－Al alloy;spinodal decomposition;continuous coarsening;bulk diffusion

TG 132.271

A

1671-6620(2014)01-0051-04

2013-08-01.

教育部新世紀優秀人才 (NECT－12－0109);中央高校基本科研業務費 (N100702001).

鄭毅 (1973—)，男，工程師，E－mail:zy_zhw@sina.com.