不同退火制度對Al-Mg-Sc合金組織與性能的影響

馮 旺，溫慶紅，黃啟波

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

Al-Mg系合金因具有中等強度、良好的耐蝕性和可焊性，在航空、航天、艦船、電子等行業中得到廣泛應用[1]。近年來的研究表明，Sc是目前為止所發現的對鋁合金最為有效的合金化元素，微量Sc加入到鋁合金中，可顯著提高合金的強度、塑性、焊接性能及耐蝕性能等，而復合添加Sc、Zr兩種微量元素是一條既節約成本又大幅提高強塑性的有效途徑[2-3]。Al-Mg-Sc合金是一種具備優異綜合性能的新型結構材料，屬于熱處理不可強化合金，其薄板一般在冷軋后退火狀態下使用。退火處理的目的，一是消除冷加工過程中形成的內應力，二是調整合金的強度和塑性，穩定合金組織使之保持較好的耐蝕性能[4]。本文主要研究不同退火溫度對鋁鎂鈧合金板材力學性能、腐蝕性能的影響規律，為鋁鎂鈧合金板材的工業化應用提供理論和實驗依據。

1 樣品來源和實驗方法

以Al99.95、Al-Sc、Al-Zr、Al-4Ti塊、Al-Cr、Zn錠、鋁基Mn劑、Mg錠為原材料，鑄造成規格為400 mm×1 320 mm的方鑄錠，表1為所制備的鋁鎂鈧合金的化學成分。鑄錠經350℃/20 h均勻化退火處理后銑面至380 mm，然后在450℃下保溫3 h后熱軋至8.0 mm，最后冷軋至規格為2.0 mm厚的薄板。冷軋板分別在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、500℃下進行退火試驗，保溫時間2 h。退火完成后，通過常溫拉伸力學性能、腐蝕性能測試及顯微組織分析來綜合評價不同退火溫度對合金顯微組織及性能的影響。

表1 鋁鎂鈧合金化學成分（質量分數/%）

同時取板材的縱向和橫向樣品進行拉伸試驗。所用設備為AG-IS10KN電子拉力試驗機。剝落腐蝕試驗依據ASTMG66進行；晶間腐蝕試驗依據ASTMG67進行。金相試樣受檢面為板材的縱向截面，經機械拋光、凱勒試劑浸蝕后觀察顯微組織，經陽極覆膜后在偏振光下觀察顯微晶粒組織。金相組織觀察在LEICA DM4M金相顯微鏡上進行。

2 實驗結果

2.1 不同退火溫度對冷軋板力學性能的影響

圖1為Al-Mg-Sc合金2.0 mm厚冷軋板經不同退火溫度處理后縱向、橫向力學性能變化曲線。圖1表明：添加微量的Sc、Zr元素后冷軋板的縱向、橫向強度分別達到471 MPa和490 MPa，合金的強度隨退火溫度的升高而緩慢下降，但強度仍始終保持在較高的水平，即使在300℃/2 h退火后縱向、橫向強度也分別達到412 MPa和424 MPa；溫度超過350℃后強度下降趨勢較明顯；合金的塑性則隨退火溫度的升高而提高。

圖1 不同退火溫度下合金的力學性能

2.2 不同退火溫度對冷軋板腐蝕性能的影響

表2為Al-Mg-Sc合金2.0 mm厚冷軋板經不同退火溫度處理后剝落腐蝕、晶間腐蝕重量法檢測結果，圖2為剝落腐蝕性能檢測后樣品的宏觀形貌圖。可以看出，經100～250℃/2 h退火后樣品表面存在明顯的起泡現象，剝落腐蝕程度較嚴重，300℃及以上2 h退火樣品只存在點蝕現象；隨著退火溫度的升高，剝落腐蝕級別由EB、EA向PB、PA轉變；200℃/2 h、250℃/2 h退火樣品晶間腐蝕重量損失量較大，100～150℃/2 h、300℃以上2 h退火樣品晶間腐蝕重量損失量較小。綜上可知，合金經300℃及以上2 h退火后抗剝落腐蝕、晶間腐蝕性能均較好。

表2 剝落腐蝕、晶間腐蝕檢測結果

圖2不同退火溫度下合金板材的剝落腐蝕宏觀形貌圖

2.3 不同退火溫度對冷軋板顯微組織的影響

圖3 為不同退火溫度下合金板材陽極覆膜后的典型顯微晶粒組織，圖4為不同退火溫度下合金板材凱勒試劑浸蝕后的典型顯微組織。從圖3可以看出：500℃/2 h退火后板材組織中已存在較多再結晶晶粒，其余退火溫度下則仍以纖維組織為主。從圖4可以看出：經（200~250）℃/2 h退火后板材顯微組織中晶界明顯，晶界上的析出質點分布較連續；經100℃/2 h、300℃/2 h及以上溫度退火后板材顯微組織中晶界不明顯，晶界上的析出質點數量較少且呈斷續分布。

圖3 不同退火溫度下合金板材的典型顯微晶粒組織

圖4 不同退火溫度下合金板材的典型顯微組織

3 分析討論

Al-Mg合金中復合添加Sc、Zr微量元素能顯著提高合金的強度，合金強度的提高主要來源于三個方面：一是初生的Al3（Sc，Zr）質點顯著細化鑄態晶粒組織產生的細晶強化；二是均勻化過程中析出次生Al3（Sc，Zr）質點產生的彌散強化；三是Al3（Sc，Zr）質點抑制后續加工熱處理過程中的再結晶引起的亞結構強化等。

Al-Mg-Sc合金板材經過冷軋變形后，會形成大量相互纏結的位錯以及與基體共格的第二相質點Al3（Sc，Zr）。Al3（Sc，Zr）與位錯強烈的交互作用使合金板材獲得了極大的加工硬化，因此冷軋板強度高而塑性低[5]。冷軋板在退火過程中，由于熱激活的作用，位錯會發生遷移，隨退火溫度的升高，合金依次發生回復、部分再結晶和再結晶；回復使基體中的內應力降低，有益于合金的塑性，但合金的強度仍保持在較高的水平，因為Al3（Sc，Zr）質點與基體共格，能夠強烈釘扎合金中的位錯，阻礙位錯運動，使位錯滑移所需的切應力大大提高，同時阻止了亞晶界的遷移與合并，對變形組織中的亞結構具有穩定化作用，抑制合金在退火過程中的再結晶[6]；進一步提高退火溫度，一方面基體會開始發生再結晶，另一方面Al3（Sc，Zr）質點會粗化，導致Al3（Sc，Zr）質點與基體的共格關系逐漸消失，Al3（Sc，Zr）質點對位錯的阻礙作用減弱，合金的強度下降趨勢更加明顯而塑性增加[7]。

晶間腐蝕是沿金屬晶界發生的腐蝕現象，在腐蝕介質中晶界上的β相優先被腐蝕。對于鋁鎂鈧合金，在200℃以下退火時，Mg原子沿著位錯向晶界擴散，晶界上β相析出數量較少，抗晶間腐蝕性能較好；在200℃、250℃退火時，位錯運動導致發生回復，在晶界上迅速形成極薄的連續β相網膜，相當于形成了沿晶腐蝕通道，此時晶間腐蝕較嚴重；于250℃以上退火時，隨著退火溫度的升高，位錯在極短時間內移動到晶界上，β相就會優先在亞晶界與晶界的交切點上沉淀，隨后Mg原子不斷沿著亞晶界向晶界傳輸，結果使β相變成粗大的顆粒分布在晶界上，腐蝕速率顯著下降，合金的抗晶間腐蝕性能得到明顯改善[3]。所以隨著退火溫度的升高，晶間腐蝕重量損失量呈現先升高后降低的趨勢。

剝落腐蝕是從平行于金屬表面沿著晶界橫向擴展的，在裂紋的空隙中存在一些腐蝕產物。這些腐蝕產物是成層的，它們的體積比發生腐蝕的金屬大的多，且易發生膨脹從而導致表層金屬剝落。在鋁鎂鈧合金中，冷軋態板材基體中存在大量的位錯，軋制應力沒有消除，晶粒結構呈纖維狀，合金容易發生剝落腐蝕；在300℃以下退火時，合金發生明顯回復，晶粒組織仍為細纖維狀，抗剝落腐蝕性能較差；在300℃及以上退火時，合金的強度已明顯下降，表明材料已開始出現再結晶現象；500℃退火后材料已出現較多再結晶晶粒，合金的抗剝落腐蝕性能得到明顯改善。影響鋁鎂鈧合金剝落腐蝕性能的主要因素為材料的晶粒結構，所以隨著退火溫度的升高，抗剝落腐蝕性能呈現上升趨勢。

綜上所述，Al-Mg-Sc合金因Al3（Sc，Zr）質點與位錯的交互作用，在較高的溫度下進行退火處理后仍可獲得優良的強塑性及耐腐蝕性能。

4 結論

（1）隨著退火溫度的升高，鋁鎂鈧合金冷軋板的強度緩慢下降，塑性增加。

（2）隨退火溫度的升高，β相在晶界離散析出，鋁鎂鈧合金冷軋板的剝落腐蝕級別由EB、EA向PB、PA轉變，晶間腐蝕重量損失量也明顯減小。

（3）添加微量的Sc、Zr元素能顯著改善Al-Mg合金的力學性能，合金退火過程中的再結晶行為受到強烈阻礙，再結晶起始溫度大幅度提高。

（4）綜合考慮合金的強塑性、耐腐蝕性能，合金的最佳退火制度為300℃/2 h。合金經300℃/2 h退火后能獲得最佳綜合性能，縱向力學性能σb=412 MPa、σ0.2=328 MPa、δ=14.0%，橫向力學性能σb=424 MPa、σ0.2=333 MPa、δ=21.0%，剝落腐蝕級別PB，晶間腐蝕重量損失量3 mg/cm2。