Sc對2055鋁鋰合金微觀組織與力學性能的影響

＊張淑英 傅溶

（湖南工業大學 材料與先進制造學院 湖南 412000）

隨著航空航天領域的飛速發展，具有輕質高強、焊接與疲勞等性能優良的鋁鋰合金成為國際關注熱點。進一步獲得性能更優良的鋁鋰合金的有效手段，主要有微合金化與熱處理工藝優化。Sc作為Al合金中最具潛力的微合金化元素，基于現有研究結果，其在Al-Cu-Li合金中的作用仍存在爭論，有研究者認為，當Sc質量分數超過2%時，合金中將形成大量的粗大W相，對合金性能產生不利影響。但俄羅斯在Cu質量分數約3%的1460鋁鋰合金中添加微量Sc元素顯著提高了合金的強度，并改善了其焊接性能[1-3]。因此，本文對微量Sc對2055合金鑄態組織、均勻化組織、時效組織及力學性能的影響進行了系統研究，為今后該合金在我國未來航空工業的應用提供實驗參考和依據。

1.實驗材料及分析方法

實驗以質量分數為99.99%的Al、99.9 9%的Li、99.99%的Mg、99.99%的Zn、99.99%的Cu以及Al-13%Mn、Al-2%Zr、Al-2%Sc等中間合金為原料，在電阻爐中于760℃熔化，經攪拌、除氣、靜置后，在水冷銅模中澆注獲得鋁鋰合金鑄錠。合金主要化學成分如表1所示。

表1 2055鋁鋰合金的成分表（%）

獲得的鑄錠經500℃均勻化處理24h后進行熱軋冷軋變形，獲得厚度為2.7mm的薄板。所得板材于500℃固溶處理1h后施加7%的預變形，在170℃下獲得合金的時效硬化曲線，并于CSS-44100型萬能材料試驗機上以2mm/min的拉伸速率測試合金峰值時效狀態下合金的強度變化規律。合金微觀組織的變化主要采用徠卡金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、電子探針進行表征，并采用掃描電鏡對斷口進行分析。

2.結果及討論

(1)Sc元素對2055鋁鋰合金微觀組織的影響

①鑄態組織

2055鋁鋰合金（1#）和添加質量分數為0.1% Sc的2055鋁鋰合金（2#）經機械拋光，在柯爾試劑（HF 2%ml、HCl 3%ml、HNO35%ml、H2O 90%ml）中腐蝕，在光學顯微鏡下觀察其鑄態組織形貌，結果如圖1所示。

圖1 2055及2055-Sc合金鑄態組織

從圖1(a)(c)可以看出，1#合金中晶粒呈粗大且不規則的形態，存在著大量的枝晶組織，大量的非平衡共晶化合物沿著晶界富集，對熱加工性能有著極為不利的影響[4]。而圖1(b)(d)顯示2#合金的組織細化且樹枝晶減少。表明微量的Sc元素的添加可以減少合金在凝固過程中的成分偏析，對合金鑄態組織產生了晶粒細化作用[5]。

②均勻化組織

為了探究添加微量Sc元素對合金均勻化前后的元素分布情況有什么影響，借助EPMA、SEM對各個合金元素在晶粒內外分布情況進行分析，結果如圖2～圖5所示。

圖2 1#合金鑄態組織元素分布

由圖2可知，在SEM照片中，晶界處亮度較高的第二相對應的地方，Cu、Ag、Mg、Mn和Zn元素均有不同程度的偏聚現象，其中Cu、Mg、Ag和Zn在晶界處的含量明顯高于晶粒內部，而Zr分布相對比較均勻。晶界相為富Cu相，可能為Al7Cu2Fe相、AlCuFeMn相、Al2CuMg及Al2Cu相[6]，該系列粗大相在晶界附近均不同程度的富集，Ag、Mg、Cu元素偏聚于晶界與粗大相附近，Zn有輕微偏聚，偏聚程度低于Ag、Mg、Cu元素。經500℃/24h均勻化后，合金中的Mg、Ag、Zn元素從晶界向晶內擴散，這些元素在晶界和晶內的偏析得到改善，幾乎全部溶解進入鋁基體中，均勻分布在晶粒內，如圖3所示。此外，圖3中襯度較亮的棒狀相可觀察到Cu、Zr的偏聚，該相可能為鑄造或均勻化過程中形成的AlCuZr相[7]，襯度較弱的第二相中可觀察主要以Cu和Mn偏聚為主，該相可能為AlCuMn相，在500℃均勻化溫度下均可穩定存在，仍殘留在晶界上。

圖3 1#合金均勻化組織元素分布

圖4、圖5為含Sc的2055合金均勻化前后微觀組織的變化規律。由圖可知，含Sc的2055合金中鑄態組織同樣可觀察到Cu、Mg、Ag、Zn等元素的偏聚，其規律及可能形成的相與不含Sc的2055合金基本相當。與不含Sc合金顯著不同的是，晶界粗大第二相Cu偏聚的局部可觀察到Sc的偏聚。微量Sc添加的2055合金在鑄造過程中便形成了粗大W相，圖2中可觀察到含Sc的2055合金中第二相顆粒增多。另外，過渡族元素在Al中擴散速度小，凝固時合金元素擴散不完全均勻，所以部分Sc原子和Zr原子與Al原子形成初生Al3(Sc,Zr)粒子，該相的存在可為合金凝固過程提供形核質點，顯著減小合金的鑄態晶粒[8-9]。經500℃均勻化處理后，Mg、Ag、Zn等元素均勻分布于基體內部，但Cu偏聚的部位仍可觀察到少量Sc的偏聚。因此，與可回溶的Al2CuMg、Al2Cu相不同，Sc以W相與初生Al3(Sc,Zr)粒子的形式穩定存在于合金中。

圖4 2#合金鑄態組織元素分布

③時效組織

將7%的預拉伸變形后在170℃進行時效處理后的實驗試樣通過機械減薄至80～100μm，再經沖樣器獲得直徑為3mm的圓片。把圓片置于體積比為3:1的甲醇和硝酸溶液中進行雙噴處理，雙噴溫度為-25℃，電壓為17V。酒精清洗后進行透射電鏡觀察，其TEM照片如圖6所示。

從圖6可以看出：2055鋁鋰合金(1#)經12h的時效強化以后，主要強化相為盤狀的T1相(Al2CuLi)，添加質量分數為0.1% Sc元素的2055鋁鋰合金(2#)的主要強化相仍為T1相。故Sc元素的加入并沒有使合金的主要強化相的種類發生變化。析出相T1相仍然是合金的主要強化相。

合金熔體結晶時產生的W相（Al3～8Cu2～4Sc）是一種粗大而且難熔的相。W相不溶解，消耗了合金中的Cu溶質原子，主要強化相T1的析出體積分數可能會減少，從而合金強度降低、塑韌性下降[10-11]。因為Cu和Sc兩種成分都會溶入難熔相W相而不參與強化。因此，對于以熱處理強化為主的Al-Cu-Li系2055鋁鋰合金，微量Sc元素的添加沒有明顯強化作用。

(2)Sc元素對2055鋁鋰合金力學性能的影響

如圖7顯示的是實驗合金經過505℃/2h固溶處理后在170℃的溫度下進行時效時，合金的維氏硬度隨著時效時間的變化曲線。

圖7 實驗合金硬度-時效時間曲線

從圖中可以看出：在同一溫度下，兩種實驗合金的硬度隨時效時間表現出幾乎相同的變化規律。即合金時效的響應速率相差不大，最后兩個實驗合金達到峰值硬度所需要的時間基本一致。在時效初期兩種合金的硬度都迅速上升，時效大約6h左右，2055鋁鋰合金（1#）硬度已經達到187HV，相對的添加質量分數為0.1% Sc的2055鋁鋰合金（2#）硬度已經達到了182HV。此后，合金的硬度會隨著時間的延長而繼續提高，增長速度開始變快。經過11h左右的時效處理，兩種實驗合金先后達到它們的峰值硬度，2055鋁鋰合金（1#）的峰值硬度為192HV，添加質量分數為0.1% Sc的2055鋁鋰合金（2#）峰值硬度達到187HV。此后，合金的硬度會隨著時間的增長開始緩慢下降。由圖7我們可以注意到微量Sc元素的加入使2#合金的硬度比沒有添加Sc元素的1#合金的峰值硬度低一些。這是因為形成的難熔的W相，在時效過程中不回溶，導致力學性能下降，硬度降低[12]。

表2表示兩種實驗合金在170℃的溫度時效11h后的力學性能。圖8顯示的是實驗合金拉伸斷口的掃描電鏡圖像。

圖8 實驗合金拉伸試樣斷口掃描照片

表2 兩種合金170℃時效8h后的力學性能

從表2可以看出1#合金在170℃時效后，抗拉強度570MP，延伸率為7.9%。2#合金在170℃時效后，抗拉強度552MP，延伸率為9.0%。微量Sc添加的2055合金強度較2055合金低，韌性較2055合金好。該結果與時效硬化曲線的結果基本一致。由圖8(a)(c)可知，2055鋁鋰合金（1#）中的斷裂模式主要為沿晶斷裂為主，晶粒內部可觀察到大量細小韌窩。由圖8(b)(d)可知質量分數為0.1% Sc的鋁鋰合金（2#）由于第二相的存在造成了較大的韌窩花樣組織，還可觀察到斷裂小平面、脊線，斷裂模式以穿晶和沿晶混合斷裂為主。斷口處粗大第二相的EDS結果顯示，產生脆斷的粗大顆粒應為W相。因此，Sc添加的2055合金在鑄態和均勻化過程中形成了W相，該相隨著后續的熱軋冷軋加工被破碎。該相的形成消耗了合金主強化相T1相所必須的溶質原子Cu，可引起T1相析出體積分數的降低，從而使合金強度下降[13]。其次，W相為高溫脆性粗大相，該相的大量形成使裂紋易于形成，導致穿晶斷裂，使合金強度下降。

3.結論

（1）0.1% Sc添加可在一定程度上減少2055鋁鋰合金凝固過程中成分偏析的現象，并可消除合金枝晶，具有明顯細化晶粒的作用。

（2）0.1% Sc添加的2055鋁鋰合金鑄造過程中可形成一種含Sc的粗大第二相W相，但并未對該合金均勻化制度及均勻化效果產生顯著影響。2055鋁鋰合金與0.1% Sc添加的2055鋁鋰合金經過500℃/24h均勻化處理后，晶界偏聚的Cu、Ag、Zn、Mg、Zr、Sc元素均勻分布于基體內，鑄造過程中形成的可回溶的粗大非平衡相回溶進基體。

（3）經170℃&T8人工時效后，2055鋁鋰合金與0.1% Sc添加的2055鋁鋰合金的主要強化相均為T1相，微量Sc的添加并未對合金的強化相類型產生影響。但鑄造與均勻化過程中形成的粗大W相時效后未發生回溶現象，經熱軋冷軋后被破碎分布于基體內，導致基體內粗大相含量的顯著增加。

（4）0.1% Sc添加的2055鋁鋰合金硬度顯著低于2055鋁鋰合金，斷裂模式由韌性斷裂為主的模式改變為韌性+脆性斷裂為主的模式。這主要是由于Sc的添加導致大量粗大脆性W相的形成，同時W相消耗了強化相T1相形成所必須的Cu溶質原子，從而降低T1相的析出體積分數。