时效对超高强含钪铝合金组织和性能的影响

邹 亮,潘清林

(1.宝钢股份硅钢部研究所,上海 201900;2.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410083)

·材 料·

时效对超高强含钪铝合金组织和性能的影响

邹 亮1,潘清林2

(1.宝钢股份硅钢部研究所,上海 201900;2.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410083)

采用维氏硬度测量、室温拉伸性能测试和显微组织结构分析,研究了不同时效制度下Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金的力学性能、腐蚀性能和显微组织。结果表明,合金具有显著的时效硬化效应,随时效温度的升高,合金达到时效硬度峰值的时间缩短。合金适宜的时效制度为120℃/ 24 h。此时,合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和维氏硬度分别为696 MPa、654 MPa、11.1%和211.2 HV。合金中主要强化相为GP区和η′相,主要强化作用为沉淀强化及弥散强化。时效过程中Al3Sc和Al3(Sc,Zr)质点表现出较强的热稳定性;合金抗晶间腐蚀能力随时效时间的延长而增强。

含钪Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金;时效处理;微观组织;力学性能

随着航空航天技术的不断发展,对结构材料的使用提出了越来越高的要求,高强、高韧、耐蚀和减重是铝合金用材的发展方向。Al-Zn-Mg-Cu合金作为基础性结构材料广泛应用于航空、航天工业[1,2]。通过研究发现在Al-Zn-Mg-Cu合金中加入少量钪和锆,合金内锌的含量可以突破7%的上限,提高到12%,从而大幅度提高合金的强度,钪和锆的复合添加可显著细化铸态合金晶粒组织,提高铸件的加工变形能力,并抑制变形合金在热处理时出现再结晶,最终提高变形铝合金的强度和塑性。2002年乌克兰材料问题研究所通过添加钪和锆对Al-Zn-Mg-Cu合金进行了改性研究。他们通过这项用钪进行改性的研究认定,合金成分和热处理条件是提升合金性能的决定性因素[3～5]。Al-Zn-Mg-Cu合金为时效硬化型合金,为保证合金高强度的同时具有高的断裂韧度及抗腐蚀能力,发展了RRA(回归再时效)工艺,研究表明再时效制度与第一级峰时效的温度和时间相近[6～10],故复合添加钪和锆的Al-Zn-Mg-Cu合金时效制度研究显得非常有意义。本文着重研究了单级时效对Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金显微组织和力学性能的影响,并分析探讨了时效制度对合金晶间腐蚀性能的影响。以期为国内超高强铝合金的时效制度研究提供参考。

1 材料及实验方法

以纯Al、纯Mg、纯Zn和Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr中间合金为原料,采用水冷铜模-激冷铸造法,制备了合金成分(质量分数)为Al-8.13Zn-2.36Cu -2.08Mg-0.21Sc-0.14Zr的实验合金。合金铸锭经460℃/24 h均匀化处理后,热轧、冷轧成2.5 mm厚的薄板。之后沿轧制方向截取拉伸试样,试样经475℃固溶40 min,水淬。然后于100℃、120℃、140℃、160℃时效不同时间后进行硬度及拉伸性能测试。硬度试验在401MVDTM数显显微维氏硬度计上进行,加载载荷0.2 kg,加载时间10 s。合金的室温拉伸力学性能测试在CSS-44100电子万能材料实验机上进行,拉伸速度为2 mm/min。腐蚀实验金相样品在POL YVER-MET光学显微镜下观察,电镜样品经机械减薄后在-20℃进行双喷穿孔,双喷电压为12～15 V,电流80～100 mA,电解液为25%硝酸和75%甲醇溶液,TEM观察在 Tecnai G2 20透射电镜上进行。

2 实验结果

2.1 合金的显微组织

实验合金不同时效状态的透射电镜显微组织图如图1所示。合金经自然时效或100℃/24 h时效,晶内及晶界析出相极少,仅观察到少量Al3Sc或Al3(Sc,Zr)相(图1(a)、(b));合金经120℃/4 h时效,晶内析出大量细小均匀弥散分布的η′(MgZn2)相,并发现马蹄状Al3Sc或Al3(Sc,Zr)相,晶界处发现少量η(MgZn2)平衡相(图1(c))。合金经120℃/ 24 h时效,晶内观察到大量咖啡豆状 Al3Sc或 Al3(Sc,Zr)粒子,且开始析出少量针状S′(Al2CuMg)相(图1(e)、(f)),晶界平衡相增多并出现非连续无沉淀析出带(图1(d))。合金经120℃/72 h时效,晶界平衡相粗化,S′相增多并部分粗化。合金经160℃/24 h时效,亚稳态相粗化长大,开始大量向相转化,晶界沉淀物粗大且不连续,无沉淀析出带宽化(图1(g))。

图1 合金不同时效处理的TEM显微组织

2.2 时效对合金硬度及拉伸性能的影响

合金经475℃/40 min固溶处理后,不同时效状态的硬化曲线如图2所示。从图2中可以看出,该合金表现出显著的时效硬化特性。合金固溶态的硬度很低,为177.1 HV。时效初期,硬度迅速升高,随着时效时间延长,硬度达到峰值后再下降。不同温度下时效,合金表现出不同的时效动力学特性:100℃时效,合金硬度上升较慢,48 h后合金硬度才达到峰值,说明时效温度过低;120℃和140℃时效,硬度随时间的延长而逐渐升高,24 h后合金硬度达峰值; 160℃时效,合金硬度达峰值的时间提前到4 h,随后硬度迅速下降,且峰值硬度比中温时效的都要低,说明时效温度过高。对比不同温度下的时效硬化曲线可以看出,随着时效温度的升高,合金达到峰值硬度的时间缩短,硬化速度加快。合金在120℃时效获得最大硬度,为211.2 HV。故合金适宜的时效制度为120℃/24 h。

图2 合金不同时效处理的硬度

合金经120℃时效不同时间的力学性能如图3所示,从图3中可以看出,合金出现二次强化效应,在时效初期强度迅速增加,达到峰值后呈现下降趋势,随后强度再次升高,出现二次峰值。合金在固溶态有很高的伸长率,时效初期,伸长率快速下降,随着时效时间的延长,继续缓慢降低。合金在120℃时效24 h得到最佳的强塑性配合。在此条件下,合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和伸长率δ分别为696 MPa、654 MPa和11.1%。变化规律与120℃时效硬度变化趋势保持一致。

图3 合金不同时效处理的拉伸性能

2.3 时效对合金腐蚀性能的影响

合金经120℃时效不同时间后的晶间腐蚀金相组织如图4所示,从图4中可以看出,实验合金抗晶间腐蚀能力随着时效时间的延长而逐渐增加。固溶态及欠时效状态下合金晶间腐蚀较为严重,被侵蚀部分与合金基体出现明显的分界面(图4(a)、(b))。峰时效状态,合金抗腐蚀能力由于晶界无沉淀析出带的形成得到较大提高(图4(d))。随无沉淀析出带的宽化,合金在过时效态下获得最好的抗蚀性,结合合金力学性能及生产实践的可行性,得出适宜的时效制度为120℃/24 h。

图4 合金不同时效时间的晶间腐蚀金相组织

3 讨 论

透射电镜观察分析表明,Al-Zn-Cu-Mg-Sc -Zr合金中主要强化相为 GP区、η′相、和少量S’(Al2CuMg)相,平衡相η的强化作用较小。时效过程中,大量GP区及η′相均匀弥散析出,产生沉淀强化和弥散强化作用提高合金强度。S’相与Fe、Si夹杂一样可作为裂纹源降低合金塑性,但作为强化相可提高合金强度[11]。随时效温度及时效时间的增加,S’相体积分数增大且粗化长大,故合金伸长率下降。熔铸及均匀化过程中形成的Al3Sc或Al3(Sc, Zr)相,在时效过程中表现出较高的热稳定性,该粒子强烈钉扎位错及亚结构[12],并抑制再结晶从而引起亚结构强化,同时可作为η′相非均质形核核心,有利于η′的形核从而提高合金强度。

时效过程动力学由溶质原子扩散所控制,时效温度高,溶质原子扩散激活能低,析出过程所需要的溶质迁移容易,达到峰值析出的时间则短[13]。在同一时效温度下,析出相大小和数量随时效时间的增加而增大(图1),合金的硬度升高。延长时效时间,合金中基体过饱和度降低,空位浓度减小,溶质原子迁移速率变缓,表现为合金硬度呈下降趋势。

合金时效过程中强塑性的变化主要由析出第二相的大小、数量和分布所决定。时效初期合金组织的变化主要是GP区的析出、回溶和过渡相的析出长大。对于本实验合金,时效初期GP区大量析出,但由于部分GP区的尺寸小于形核临界尺寸,在时效过程中GP区回溶,故在时效初期合金强度先增后减。随着时效时间的延长,大量大于临界尺寸的GP区转变成细小弥散分布的η′过渡相,过渡相与基体保持半共格关系,在(111)面上呈现六角形板状沉淀,由于过渡相为六方结构[4],不同于基体的晶体结构,所以位错切割时还需额外消耗能量,位错线切割析出相颗粒时,不仅需要克服析出相颗粒所造成的应力场,另外,还由于时效初期析出相颗粒被切成两部分而增加了表面能以及改变了析出相内部原子之间的邻近关系,使阻碍位错运动的能量升高,引起强化[13],位错由切割向绕过机制转变。所以,均匀分布的GP区加上均匀弥散的过渡相能使合金获得最佳的强化效果,合金呈现二次强度峰值。继续增加时效温度或延长时效时间,过渡相慢慢长大粗化,随后转变为η平衡相,这些相的尺寸较为粗大,对位错运动的阻碍作用较小,表现为合金强度再次降低,合金达到过时效状态。

4 结 论

1.Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.14Zr合金具有显著的时效强化特性,120℃时效不同时间,出现二次强化效应;合金适宜的时效温度为120℃,时效时间为24 h。

2.合金主要强化作用来源于GP区和η′相的沉淀强化及弥散强化,时效过程中Al3Sc和Al3(Sc,Zr)质点表现出较强的热稳定性。

3.合金抗晶间腐蚀能力随时效时间的延长而增强;峰时效时合金晶界形成无沉淀析出带,延长时效时间无沉淀析出带宽化。

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Effect of Aging Treatment of Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr Alloy on Microstructure and Properties

ZOU Liang1,PAN Qing-lin2

(1.Silicon Steel Institute of BaoSteel Silicon Department,Shanghai201900,China;2.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)

The microstructures and properties of Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr alloy after different aging treatments were studied by means of O.M,TEM observation,hardness test and tensile test at room-temperature.The results show that the alloy has the character of aging hardening,the peak hardness arrives earlier after increasing aging temperature.The proper artificial aging treatment of the studied alloy is 120℃/24 h.At this condition,tensile strength,yield strength,elongation and hardness were 696 MPa,654 MPa,11.1%and 211.2 HV,respectively.The main strengthening phase is GP zone and phase,which lead to precipitation strengthening and dispersion strengthening.Al3Sc and Al3(Sc,Zr)particles performed well thermo stability;the property of retarding transgranular corrosion is improved with prolonging aging time.

Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr alloy;aging treatment;microstructures;mechanical properties

TG146.2

A

1003-5540(2010)06-0024-04

国家863高新技术新材料课题(2006AA03Z523)

邹亮(1982-),男,硕士研究生,主要从事高性能铝合金的研究及电工钢产品开发工作。

2010-10-26