Sc對(duì)7028鋁合金鑄態(tài)組織和性能影響研究

楊 路, 吳 楠, 馮艷飛, 張 宇, 馮 梟, 孫 巍

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

7028鋁合金是西班牙于1987年注冊(cè)的高強(qiáng)鋁合金，屬于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，它具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的斷裂韌性和耐腐蝕性能、優(yōu)良的成形性能等優(yōu)點(diǎn)，以及適于回收利用的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，是目前航空航天領(lǐng)域和其他工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用材料[1-2]。7028鋁合金在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基礎(chǔ)上，添加Mn元素，能提高合金的耐應(yīng)力腐蝕性能[3-5]；添加Zr和Ti，可提高合金的可焊性、再結(jié)晶溫度并細(xì)化了合金的鑄態(tài)組織，使其具有良好的綜合性能[6-9]。

Sc是過(guò)渡族稀土元素，既有稀土元素凈化熔體的性質(zhì)，又有過(guò)渡元素細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶的作用。微量添加即可顯著改善組織和性能，如提高鋁合金的強(qiáng)度、塑性、韌性、熱穩(wěn)定性、耐蝕性等[10-12]。本文通過(guò)對(duì)含Sc與未含Sc元素的7028合金鑄錠進(jìn)行對(duì)比分析，研究Sc元素對(duì)該合金的組織和性能影響。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)生產(chǎn)直徑φ120 mm含Sc的7028鋁合金鑄錠(以下簡(jiǎn)稱7028+Sc鑄錠)和普通7028鋁合金鑄錠，成分如表1所示。使用熔煉爐、流槽系統(tǒng)、在線除氣裝置、過(guò)濾裝置、水循環(huán)系統(tǒng)、鑄機(jī)等設(shè)備進(jìn)行試制，為排除原材料及熔鑄工藝對(duì)鑄錠組織的影響，兩種鑄錠采用同種材料和熔鑄工藝制成，具體參數(shù)如表2所示。對(duì)兩種鑄錠進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、低倍組織和高倍組織觀察，進(jìn)而分析Sc的添加對(duì)7028鋁合金鑄態(tài)組織和性能的影響。

表1 合金化學(xué)成分范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔鑄工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面質(zhì)量及尺寸

鑄錠直徑φ119～φ120 mm，彎曲度2 mm/m，鑄棒表面平整，無(wú)冷隔、漏鋁等缺陷。兩種鑄錠均有≤1 mm的拉痕，表面質(zhì)量無(wú)明顯區(qū)別，證明Sc元素的添加并不會(huì)對(duì)7028鑄錠表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.2 成分偏析及低倍

分別在7028鑄錠和7028+Sc鑄錠橫斷面邊部、1/2半徑處、心部取樣檢測(cè)成分，結(jié)果見(jiàn)表3。兩種鑄錠成分均勻且符合表1要求，其中Cu、Mg、Zn的成分偏析量分別小于0.1%、0.15%、0.3%，符合結(jié)晶宏觀正偏析規(guī)律，可知Sc元素的加入并未對(duì)7028合金宏觀偏析產(chǎn)生影響。

(a)7028鑄錠；(b)7028+Sc鑄錠

表3 鑄錠不同位置化學(xué)成分

對(duì)兩種鑄錠相同位置進(jìn)行低倍檢測(cè)，檢測(cè)方法按照國(guó)標(biāo)GBT 3246.2執(zhí)行，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。低倍均無(wú)疏松、氣孔、羽毛晶、光亮晶粒、粗大化合物聚集等缺陷，晶粒度為1級(jí)，但7028鋁合金鑄錠有一些夾雜，7028+Sc鑄錠無(wú)夾雜。可知在同樣的熔鑄工藝控制下，Sc起到了凈化熔體的作用，減少了鑄錠中雜質(zhì)的引入。

2.3 力學(xué)性能

在兩種鑄錠相同位置橫截面截取力學(xué)試樣和沖擊試樣(擺錘沖擊V形缺口)，試驗(yàn)結(jié)果平均值如表4所示。由結(jié)果可知，對(duì)比7028鑄錠，7028+Sc鑄錠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率、沖擊韌性都得到了提升，說(shuō)明Sc元素的添加提升了材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。

2.4 組織及晶粒度

7028和7028+Sc鑄錠心部組織如圖3所示。

表4 力學(xué)性能對(duì)比

(a)7028鑄錠；(b)7028+Sc鑄錠

(a)7028+Sc鑄錠，200×；(b)7028+Sc鑄錠，500×；(c)7028鑄錠，200×；(d)7028鑄錠，500×

由圖3(a)、3(c)可知兩種鑄錠心部組織都存在枝晶網(wǎng)絡(luò)；由圖3(b)、3(d)可知組織內(nèi)部均存在點(diǎn)狀、塊狀的第二相，且多數(shù)分布在晶界處，晶內(nèi)只有少量第二相顆粒，屬于典型的鑄態(tài)組織，兩種鑄錠無(wú)明顯差別。圖4為鑄錠的晶粒度圖片(100倍)，7028鑄錠晶粒度為3級(jí)，7028+Sc鑄錠晶粒度為4級(jí)，可以看出Sc元素的添加，細(xì)化了7028合金鑄態(tài)組織，其原因是Sc和Zr共同作用會(huì)形成Al3Sc和Al3Zr[8]，這些粒子會(huì)起到非均勻形核作用，從而細(xì)化組織晶粒。

(a)7028鑄錠；(b)7028+Sc鑄錠

3 結(jié)論

1)在相同的鑄造工藝條件下，7028鋁合金和7028+Sc鋁合金的表面質(zhì)量、宏觀偏析無(wú)明顯差異。

2)從鑄錠的低倍組織可以看出，Sc的添加減少了7028合金鑄態(tài)組織中的雜質(zhì)，起到了凈化熔體的作用。

3)與不加Sc元素的7028鋁合金鑄錠相比，含Sc元素7028鋁合金鑄錠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率、沖擊韌性都得到了提高，且鑄態(tài)組織晶粒度由3級(jí)提升到4級(jí)。說(shuō)明Sc元素的添加細(xì)化了組織晶粒，提升了材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。