微量Sc對鋁合金鑄態(tài)組織性能的影響論文
摘 要：7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，屬于超強鋁合金，具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點，多用于航空航天工業(yè)、工兵裝備、大型壓力容器、車輛、建筑、橋梁等。德、美、蘇、法等國在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基礎(chǔ)上成功地開發(fā)了7075
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7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，屬于超強鋁合金，具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點，多用于航空航天工業(yè)、工兵裝備、大型壓力容器、車輛、建筑、橋梁等。德、美、蘇、法等國在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基礎(chǔ)上成功地開發(fā)了7075，B95，B93和D．TD683等合金，這些合金相對具有較好的力學(xué)性能，至今仍廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，但是，這些合金在應(yīng)用中依然很難實現(xiàn)強度、韌性以及抗應(yīng)力腐蝕性能的最佳組合［1—2］。鈧元素的原子序數(shù)為21，在元素周期表中與鈦元素鄰近，屬于3d型過渡元素，同時也是稀土元素的一種。Sc是非常有效的鋁合金細(xì)化劑，在鋁合金中添加微量Sc能顯著細(xì)化鋁合金鑄錠晶粒，同時又能消除晶內(nèi)枝晶組織，被認(rèn)為是迄今為止唯一能生產(chǎn)出具有非枝晶組織半連續(xù)鑄錠的變質(zhì)劑［3—4］。通過加入Sc不僅可以克服其應(yīng)力腐蝕敏感性的突出問題，并且通過產(chǎn)生Al3Sc等沉淀強化相對基體進行強化，這些沉淀相還可以阻礙晶粒的生長從而細(xì)化晶粒獲得優(yōu)良的強度和塑性的匹配，從而可以做到在降低應(yīng)力腐蝕敏感性問題的同時不降低強度［5］。研究顯示，含0．3%Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金凝固時Al3(Sc，Zr)相可作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化合金鑄態(tài)組織，抗拉強度和伸長率顯著高于不加鈧的鋁合金;Sc和Zr復(fù)合添加使7005合金延伸率及抗拉強度顯著提高，可以降低Al-Mg-Si-Mn合金的晶粒尺寸;Al-4Mg-0．3Sc合金在動態(tài)再結(jié)晶過程中Al3Sc粒子阻礙亞晶界遷移，得到了細(xì)小均勻晶粒［6—9］。7系鋁合金成分含量不為共晶成分點，低熔點共晶易于出現(xiàn)在晶界處，在結(jié)晶過程中發(fā)生成分偏析，造成晶界與晶內(nèi)的成分不一的現(xiàn)象。在高溫下，低熔點共晶的融化會使材料發(fā)生蠕變，這種蠕變的速度很慢，很難被立即發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)它積累到臨界點時則容易發(fā)生斷裂。所以有必要對晶界以及晶內(nèi)的成分進行分析，從而能夠有效地了解晶界、晶內(nèi)的成分差異，避免產(chǎn)生脆性晶界，也可以為工程上類似合金的生產(chǎn)提供工藝的參照。文中通過在某7系鋁合金中添加微量Sc，探究不同Sc含量對合金鑄態(tài)組織性能及合金主要元素分布情況的影響。
1實驗
在功率為5kW的電爐中用陶瓷坩堝熔煉相應(yīng)的7系鋁合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Zn為5．0%～6．0%，Mg為1．3%～2．0%，Cu為2．0%～2．6%，Ti為＜0．05%，F(xiàn)e為＜0．05%，Si為＜0．05%，其他＜0．1%，Al為余量。由于鈧的熔點過高(1541℃)，不適合直接制備鋁鈧合金，因此制備鋁鈧合金時往往需要加入Al-Sc中間合金來實現(xiàn)。實驗前所有原料進行預(yù)熱干燥以備用。首先將7系鋁合金放到預(yù)熱的坩堝中選用二號覆蓋劑進行覆蓋，加熱到730℃并適當(dāng)保溫，鋁合金充分熔化后將配制好的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0．05%，0．10%，0．15%，0．20%，0．25%，0．30%，0．35%)的Al-Sc中間合金加入熔體充分?jǐn)嚢�，待合金全部熔化后，加入六氯乙烷精煉合金，�?jīng)除氣、扒渣，適當(dāng)保溫后澆入鋼型中水冷。實驗合金經(jīng)退火熱處理工藝(420℃保溫24h)后，在鑄錠中部同一位置制取金相試樣，試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后用Kellers試劑(90%蒸餾水+5%硝酸+2%氫氟酸+3%鹽酸)腐蝕。試驗合金組織觀察和分析分別在4XB-TV光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-6490LV掃描電鏡上進行(SEM)，合金相成分采用能譜分析(EDS)，用Image-proplus6．0圖像處理軟件測定晶粒尺寸，用高精度布氏硬度儀測量材料布氏硬度。
2結(jié)果與分析
2．1Sc含量對合金微觀組織的影響
圖1a—d分別為Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0．05%，0．1%和0．15%的試樣的微觀組織的金相圖片。合金中未添加Sc時，如圖1a所示，其晶粒粗大，為薔薇狀或團塊狀晶粒，晶粒的大小不均勻，晶間分布著近連續(xù)的第二相和少量晶內(nèi)第二相，晶界處存在較多的非平衡共晶組織，晶粒尺寸約為106μm。隨Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，樹枝晶大幅減少，球狀晶粒增多，且由于Sc的加入，晶粒逐漸細(xì)化，分布趨于均勻，粘結(jié)現(xiàn)象明顯減小。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．15%時，如圖1d所示，晶粒趨于圓潤，明顯細(xì)化且分布均勻，晶粒尺寸約為45μm，但晶界較寬。圖1e—h分別為Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．2%，0．25%，0．3%，0．35%的試樣的微觀組織金相圖。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．20%時，如圖1e所示，此時的晶粒圓潤而且細(xì)小均勻，晶粒球化充分，晶間無明顯的第二相和晶內(nèi)第二相，晶粒尺寸約為41μm，為理想的鑄態(tài)組織。當(dāng)Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0．2%時，可以看出晶粒兩極分化現(xiàn)象，晶界寬大且出現(xiàn)明顯第二相，相鄰晶粒間出現(xiàn)搭接、長大、團聚現(xiàn)象，晶粒邊界尖銳，晶粒大小不一且尖銳的晶界會引起應(yīng)力集中，不利于強度的提高，晶粒尺寸逐漸增加。通過Image-proplus6．0圖像處理軟件對金相圖片進行分析，得到不同Sc含量平均晶粒尺寸及形狀系數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，隨著Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的'上升，晶粒平均尺寸呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，而形狀系數(shù)呈現(xiàn)相反趨勢。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0．15%的過程中，晶粒尺寸快速下降，由106μm下降到45μm，晶粒形貌變得均勻圓整;當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．2%時，其晶粒最細(xì)小，約為41μm，隨著Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，晶粒尺寸小幅度上升，晶粒間粘結(jié)且有棱角，出現(xiàn)惡化趨勢。微量鈧對鋁合金合金化作用的主要原因在于生成穩(wěn)定的Al3Sc相。由鋁鈧二元相圖可知:在鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．60%，溫度為655℃時，會發(fā)生共晶反應(yīng)L→α(Al)+Al3Sc［10］�；衔顰l3Sc為Ll2型結(jié)構(gòu)，面心立方晶格(AuCu3型)，點陣常數(shù)a=(0．4106±0．007)nm與Al基體(面心立方，a=0．405nm)相似，滿足“點陣匹配原理”，減小兩者的接觸角，能夠很好地潤濕基體晶粒，從而使Al3Sc相質(zhì)點與基體晶粒結(jié)晶面具有較小的表面張力，有利于非均質(zhì)形核，達(dá)到細(xì)化、球化晶粒的目的［11］。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0逐漸增加時，此時的Sc固溶在金屬液中，合金熔點下降，固液相線間距增加，形成的Al3Sc增加，晶核增多，晶粒的細(xì)化效果顯著。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．2%時，有大量的晶核同時形成，澆注后為細(xì)小、均勻的球狀晶粒。當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0．30%時，Sc的含量基本達(dá)到飽和溶解度(655℃時Sc在鋁中的溶解度為0．32%)。由于過冷度減小，臨界晶核半徑以及形核功均增大，所需的能量起伏大，晶核形成困難，且澆注后形核釋放大量的凝固潛熱，形成負(fù)溫度梯度，所以有少量的樹枝晶形成，晶粒逐漸增大［12］。
2．2Sc含量對合金力學(xué)性能的影響
顯微硬度是材料塑性變形能力和強度等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)，硬度隨Sc含量變化的曲線如圖3所示。不加入Sc時材料的硬度為174．6MPa，隨著Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其硬度不斷上升;當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%，0．2%，0．25%時，其硬度趨于平緩，最大值為244．9MPa。隨著Sc的繼續(xù)加入，硬度出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．35%時，硬度降低為212．5MPa。添加微量Sc的合金在冷卻過程中，Sc在鋁液中的過飽和固溶體發(fā)生分解，其在鋁基體中的很多區(qū)域內(nèi)同時并迅速地以平衡方式產(chǎn)生高度彌散、共格的次生Al3Sc相質(zhì)點。這些彌散的Al3Sc與位錯反應(yīng)產(chǎn)生柯氏氣團從而釘扎位錯，阻礙位錯的運動，使位錯滑移所需切應(yīng)力大大提高;另外這些質(zhì)點對亞結(jié)構(gòu)具有強烈的穩(wěn)定化作用，而且許多亞晶界由二維的位錯網(wǎng)絡(luò)組成，從而對合金造成了強烈的亞結(jié)構(gòu)強化作用，從而引起合金強化［13］。而Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0．3%時，由于其含量超過了飽和溶解度，所以會先析出ɑ相(純鋁的結(jié)晶相)，這種初生相的存在會軟化基體;由Al-Cu-Sc三元合金相圖可知，Cu與Sc可能形成W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相，這種相在隨后的熱處理工藝中不回溶，W相中的Cu和Sc不參與合金強化，從而降低了硬度。
2．3Sc含量對合金元素分布的影響
對不同特征Sc含量時，晶界與晶內(nèi)多個點進行掃描與能譜圖分析，求其平均值，得到分析結(jié)果如圖4所示。材料不加入Sc時，對比晶界與晶內(nèi)平均成分，可以看出Al元素明顯偏聚于晶內(nèi)，而Cu元素明顯偏聚于晶界，Zn和Mg元素主要分布于晶粒內(nèi)部。隨Sc含量的增加，Zn和Mg元素在晶界與晶內(nèi)的分布趨于均勻，Cu的晶間偏析逐漸加重;當(dāng)Sc含量增加到0．35%時，Cu元素在晶界的含量顯著上升到27．47%。由Al-Cu-Sc三元合金相圖可知，與Al固溶體平衡的有3個相:CuAl2，Al3Cu，W(ScCu6．6-4Al5．4-8)，W相在含Sc熔體結(jié)晶時形成。隨Sc含量的增加W相比例也增大，而CuAl2的比例則逐漸減小。這說明，在合金中隨著Sc含量增加，形成ScCuAl化合物的能力和趨勢不斷增加，形成CuAl2化合物的能力和趨勢則不斷下降。Sc與合金中Cu強烈的交互作用，以致Sc的加入可以奪取CuAl2化合物中的Cu形成新的化合物。另外銅的熔點較高，在凝固的過程中由于銅含量較少，所以形成低熔點的先析出相，向晶界處富集。隨著凝固過程的進行，銅的富集現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，最終形成了晶界處銅的偏析現(xiàn)象。Al-Zn-Mg三元相圖可知，未加稀土的合金中，化合物主要為T(Al2Mg3Zn3)相;合金中加Sc后，除T相外，還觀察到含Al，Zn，Mg，Sc四種元素的化合物，且T相的彌散程度和體積分?jǐn)?shù)顯著增加，故Zn，Mg元素的分布趨于均勻［14］。
3結(jié)論
1)Sc元素的加入，細(xì)化了合金組織中基體晶粒尺寸，改善了基體晶粒形貌;當(dāng)Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．2%時，其晶粒最細(xì)小，約為41μm，但當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，晶粒出現(xiàn)惡化趨勢。2)添加Sc可以提高合金的硬度，當(dāng)Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%時，其硬度值最大為244．9MPa;但當(dāng)Sc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，由于W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相在隨后熱處理工藝中不回溶，從而降低了硬度。3)Sc元素的加入，增加了合金中Cu等元素形成化合物的趨勢和能力，增大了Cu元素的枝晶偏析;減小了合金基體中Zn和Mg等合金元素形成化合物的趨勢和能力，而對其枝晶偏析影響不大。
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