复合添加微量Er,Y对Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板组织与力学性能的影响

李国锋,张新明,朱航飞

(1中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;2中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙410083)

复合添加微量Er,Y对Al2Zn2M g2Cu2Zr合金板组织与力学性能的影响

李国锋1,2,张新明1,2,朱航飞1,2

(1中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;2中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙410083)

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、硬度测试和室温拉伸等分析技术研究了在A l2Zn2M g2 Cu2Zr合金中复合添加微量稀土元素Er和Y对其组织与力学性能的影响。结果表明:在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加适量的Er和Y能显著抑制合金再结晶,延缓合金峰值时效的时间,增强合金时效强化的效果。在Al2Zn2M g2Cu2Zr合金中添加总量为0.4%(质量分数)的Er和Y能使合金轧制板的抗拉强度提高到624.4M Pa,屈服强度达到602.9M Pa,延伸率达12.5%,使合金轧制板具有较好的综合力学性能。

A l2Zn2M g2Cu2Zr合金;微合金化;组织;力学性能

微合金化是获得高强韧铝合金材料的重要途径之一[1]。通过微合金化使合金产生固溶强化、第二相强化和细晶强化的效果。在铝合金中添加微量的Zr, Sc,Ag和Li等元素形成铝化合物,能显著细化晶粒,抑制合金再结晶,强化铝合金基体[2-9]。近几年国内也有学者从充分利用本国资源出发,开展了采用Er和Y等稀土元素对铝合金进行微合金化的研究[10-12],通过研究发现,稀土元素Er在A l2M g合金中具有与Zr和Sc相似的作用,能细化晶粒,显著提高铝合金的屈服强度和抗拉强度,但延伸率略有下降;Y也能显著细化晶粒,减小共晶化合物尺寸,有效改善合金的冲击韧性。张新民等人研究表明[13],在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加适量的Er和Y能明显细化合金的铸态组织。本工作在前期研究工作的基础上,研究了复合添加微量Er和Y对合金板材固溶再结晶分数、时效、组织及力学性能的影响。

1 实验

实验合金按表1名义成分配制。配料采用高纯铝,工业纯锌,工业纯镁,A l2Cu,A l2Zr及A l2Er2Y中间合金,以A l2Ti2B为细化剂。合金的熔炼在石墨坩埚电阻炉内进行,熔化温度780～800℃,精炼温度730～740℃,铸造温度710～720℃,除气剂采用C2Cl6,在铁模中铸造。合金的均匀化处理和时效处理采用空气电阻炉,固溶处理采用盐浴炉。

表1 实验合金的名义化学成分(质量分数/%)Table 1 Nominal chemical composition of the tested alloys(mass fraction/%)

将铸态试样进行二级均匀化处理:随炉升温至465℃保温24h,之后随炉升温至475℃保温4h。随后经预热轧至2mm薄板,总变形量达85%。固溶处理工艺:473℃保温1h,出炉水冷。时效处理工艺:先在120℃保温不同时间,测出表1中三种合金的时效硬度曲线,确定其峰值硬度时效时间,然后在峰值硬度时效下测定力学性能。时效前试样在室温停留时间小于48h。

薄板试样经固溶和峰值时效后,使用Graff Seagent试剂腐蚀,在XJP26A型光学显微镜下观察其再结晶组织;按GB/T228—2002制作拉伸试样,在CSS244100电子万能试验机上进行拉伸实验;在7501涡流电导仪上测量电导率;在HV210B小负荷维氏硬度计上测量硬度。采用TecnaiG220型透射电镜观察时效态组织;在KYKY22800型扫描电镜上观察拉伸断口。

2 实验结果

2.1 合金板材的时效硬化曲线

图1所示为三种合金板材在120℃下测试的时效硬化曲线。合金1,2,3板材到达峰值硬度的时效时间分别为21,22,24h,可见随Er和Y含量的增加,板材达到峰值硬度的时效时间延长,且添加Er和Y的板材的峰值硬度明显高于不含Er和Y的,这说明随Er和Y复合添加量的增加,加速了时效过程,并强化了时效效果。

图1 实验合金的时效硬度曲线Fig.1 Curves of hardness vs aging time at 120℃fo r the tested alloys

三种合金板材经峰值时效后测定硬度和电导率,结果如表2所示。可见2号合金板的硬度最高,3号合金板的次之,1号合金板的最低,但三者的电导率基本没有什么变化。表明适量的Er和Y对峰值时效硬度有明显影响,但对峰值时效态的电导率影响不大。这可能是因为影响合金电导率的因素较多,合金的电导率不仅受基体固溶度的影响,更受到基体组织中位错、应力场等因素的影响。

表2 实验合金的峰值时效硬度与电导率Table 2 Hardness and conductivity of the tested alloys after aging fo r upper2peak hardness

2.2 合金板的再结晶组织

图2所示为三种合金板材经轧制、固溶、峰值时效处理后其组织再结晶情况。由于时效温度低,在时效过程中不可能发生再结晶,因此时效态的再结晶组织形貌与固溶态的再结晶组织形貌应该是一致的,只是时效态组织中分布有时效析出相。由图2可见,Graff Sargent试剂优先腐蚀晶界和亚晶界,未再结晶部分含有大量亚结构而被腐蚀呈黑色,已经再结晶的组织难以腐蚀而呈白色。经观察和测试可知,未添加Er和Y的1号合金板再结晶组织最多,其再结晶组织体积分数大约为48%;添加了较多的Er和Y的3号合金板再结晶组织最少,大约为28%;说明在A l2Zn2M g2Cu2 Zr合金中复合添加微量的Er和Y能明显抑制合金再结晶。

2.3 合金板的时效态组织

合金经固溶时效后的金相组织如图3所示。由图3可见,未添加Er,Y的1号合金板未溶第二相很少,再结晶组织较粗大;复合添加Er,Y后的2号合金板未溶第二相增多,再结晶组织有所细化;随Er,Y添加量增加,3号合金板的未溶第二相最多,而再结晶组织最细小。这说明在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加微量的Er,Y有利于细化合金再结晶组织,但同时使合金板材中残留的第二相化合物增多。根据文献[11,14],这些未溶相主要是含Er,Y的稀土化合物,它们主要沿晶界分布,在一定程度上能阻止再结晶组织的长大。

图4所示为1号合金板与3号合金板经峰值时效后的微观组织在透射电镜下的观察结果。可见两种合金的基体组织上均分布有大量的沉淀析出相,1号合金板中的晶界析出相较粗大,且不连续;3号合金板中的晶界析出相较细小,且基本上不连续。

2.4 合金板的力学性能

2.4.1 室温拉伸性能

三种合金板经峰值时效后其组织有明显差异,因此其力学性能也不同,在室温下对三种合金板进行拉伸实验,其强度和延伸率如表3所示。可见2号合金板的抗拉强度比1号合金板提高了12.8%,屈服强度提高了10.9%,但延伸率降低了15.1%;3号合金板的抗拉强度比1号合金板提高了12.4%,屈服强度提高了13.9%,但延伸率降低了30.2%。虽然3号合金板的延伸率较1号合金板明显降低,但仍然达到了12.5%,说明3号合金板在大幅度提高了强度的同时仍保持较高的延伸率。因此,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加适量的Er,Y能使合金具有良好的综合力学性能。

图4 时效态合金的微观组织(a)合金板1;(b)合金板3Fig.4 TEM images of the microstructures of the peak2aged alloy p lates (a)alloy p late 1;(b)alloy p late 3

A lloyσb/M Paσ0.2/M Paδ/% 1 555.5 529.5 17.9 2 626.7 587.3 15.2 3 624.4 602.9 12.5

2.4.2 拉伸断口形貌

为了比较添加Er,Y前后合金板的拉伸断口形貌的差异,对1号和3号合金板的拉伸断口进行扫描观察,结果如图5所示。可见,1号合金板主要是穿晶韧窝型断裂,韧窝大且深;而3号合金板出现沿晶断裂,穿晶韧窝断裂的韧窝小且较浅,甚至有少部分沿未再结晶处断裂。这说明在合金中复合添加Er和Y能明显改变合金的韧性。

图5 实验合金的拉伸试样断口形貌(a)合金板1;(b)合金板3Fig.5 SEM images of the fracture surfaces of the tested alloys peak2aged (a)alloy plate 1;(b)alloy plate 3

3 分析与讨论

3.1 Er,Y微合金化对合金组织的影响

一般认为在铝合金中添加微量元素主要是为了细化晶粒,抑制再结晶,强化铝合金基体,提高合金耐腐蚀性能,以及稳定合金组织提高淬透性等。从图2来看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加适量的稀土元素Er,Y能明显地抑制合金再结晶,而且Er和Y含量越高,这种抑制作用越显著。这是因为Er和Y的原子半径均大于A l,Zn,M g,Cu,Zr的原子半径,它们在铝基体中的最大平衡固溶度分别只有0.05%[15]和0.04%[16];元素的半径越大、价电子数越多,与空位的结合能就越大。因此,明显降低了合金的空位浓度,使A l原子的自扩散速率减小,阻碍A l原子扩散,从而有效地抑制了合金的再结晶过程。大量未溶入基体的Er,Y元素在晶界偏聚,阻碍晶界的运动。同时,文献[13]研究表明,由于Er,Y的加入,一方面在铸造时形成了含Er,Y的稀土共晶化合物,这些共晶化合物在均匀化处理后仍有较多残留,经轧制后破碎成细小颗粒,沿晶界分布,如图3所示,在合金回复时它们能促进再结晶晶粒形核,增加了晶核形核率;另一方面在均匀化处理时基体中过饱和的Er,Y元素析出,与A l,Cu等元素结合形成细小的第二相,在再结晶过程中能阻止亚晶界迁移和合并,使已形核的再结晶晶粒难以进一步长大。两方面的综合作用使得Er,Y在合金中起到了抑制再结晶、细化晶粒和提高位错密度的作用。由此可见,在Al2Zn2Mg2Cu2Zr合金中复合添加适量的Er和Y对提高合金的强度是非常有利的。

然而,比较2号和3号合金板的拉伸力学性能可知,当Er,Y总添加量从0.2%(质量分数,下同)增加到0.4%时,抗拉强度变化很小,屈服强度提高了217%,但延伸率降低了17.8%,可见过多地添加Er, Y含量对力学性能是不利的。这是因为Er,Y含量过高时,合金均匀化后会残留太多的金属间化合物,这些化合物本身断裂强度低,脆性大,在变形及断裂过程中起着裂纹源的作用,如图5(b)所示,而且Er,Y含量增加造成未再结晶组织增多,位错多,应力集中大,也容易导致裂纹产生,对延伸率极为不利,因此Er,Y的添加量应保持在合理的水平。

3.2 Er,Y微合金化对合金时效强化的影响

从图1来看,在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加稀土元素Er,Y明显推迟了合金时效到达峰值硬度的时间,且添加Er,Y的合金的峰值硬度明显高于不含Er,Y的合金。这是因为加入Er,Y元素后,Er和Y原子与合金中的空位结合能高,容易与空位结合,使空位浓度减少,加之时效温度低,使得原子自扩散速率降低,第二相析出速率减慢,所以到达峰值硬度的时效时间延长。与此同时,添加Er,Y后,部分Er和Y以固溶的形式存在于铝基体中,相对增加了铝基体的溶解量,尤其是Y的加入使得Cu和M g在铝基体的固溶度下降[17],促使M g会有更多的析出,即允许有更多的第二相M gZn2时效析出,提高了合金的时效硬度,增强了合金时效强化的效果。此外,从图4也可以看出,3号合金板比1号合金板的晶界时效析出相更细小,说明由于3号合金板的时效析出速率较缓慢,时效析出相难以长大,使得3号合金板的强化效果更好。

然而,当Er,Y添加量过度增加时,合金均匀化后会残留大量的金属间化合物,使合金经固溶处理后基体中Cu和M g的固溶度严重下降,反而会减少第二相的时效析出,而且析出的速率会更加缓慢,因此尽管到达峰值硬度的时效时间被延长,但峰值硬度并不会增加,反而会有所降低。所以从这个意义上来说,也要求Er,Y的添加量应保持在合理的水平,不能太高。

4 结论

(1)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加微量的稀土元素Er,Y能显著阻碍合金的再结晶,且适量添加Er,Y抑制合金再结晶的效果明显。

(2)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加微量的稀土元素Er,Y延长了合金峰值时效的时间,促使合金有更多的第二相时效析出,增强了合金时效强化的效果。

(3)在A l2Zn2M g2Cu2Zr合金中复合添加适量(总量<0.4%)的稀土元素Er,Y使合金具有较好的综合力学性能:抗拉强度达到624.4M Pa,屈服强度为60219M Pa,延伸率12.5%,明显超过未添加微量元素的同类合金板的力学性能。

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Effects of M inor Er and Y Addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr A lloy on M icrostructures and Mechanical Properties

L IGuo2feng1,2,ZHANG Xin2m ing1,2,ZHU Hang2fei1,2
(1 School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083, China;2 Key Laboratory of Non2Ferrous Metal M aterials Science and Engineering, M inistry of Education,Central South U niversity,Changsha 410083,China)

Effectsof minor Er and Y addition to A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy on themicrostructures and me2 chanical p ropertieswere investigated by meansof op ticalmicroscopy(OM),scanning electron micros2 copy(SEM),transm ission electron m icroscopy(TEM),hardness test and tensile p ropertiesmeasure2 ment.The results indicate thatminor Er and Y addition to the alloy evidently restrains the recrystalli2 zation of the tested alloys,delays the peak aging time and enhances the strengthening effect by aging. When the total addition of Er and Y is 0.4%(mass fraction),theσb,σ0.2andδof the tested alloy are 624.4,602.9M Pa and 12.5%,w hich are greatly imp roved compared w ith the addition2free.

A l2Zn2M g2Cu2Zr alloy;minor element addition;microstructure;mechanical p roperty

TG166.3

A

100124381(2010)0520078205

国家重点基础研究发展规划项目(2005CB623700)

2009205211;

2010203210

李国锋(1962—),男,教授,博士研究生,主要从事铝合金材料加工研究,联系地址:湖南长沙市开福区洪山路98号长沙学院教务处(410003),E2mail:lgf1008@ccsu.cn