时效工艺对含微量钪和锆2023铝合金组织和力学性能的影响

钟继发，郑子樵，罗先甫，程 彬

（中南大学材料科学与工程学院，长沙410083）

0 引 言

铝铜镁系铝合金是航空航天领域应用最广的结构材料之一［1－2］，向该系合金中添加某些微合金化元素可以调控其微观组织从而改善其性能，如添加锌元素除可以起固溶强化作用之外［3］，还能够促进S′相的析出［4］；同时添加微量钪和锆元素不仅可以形成细小弥散、均匀分布的Al3Sc和Al3（Sc1－xZrx）粒子［5－6］，起到弥散强化的作用，还可以通过钉扎晶界和位错，阻碍再结晶，细化晶粒，Al3（Sc1－xZrx）粒子还可以成为S′相的形核点，促进S′相的细小弥散析出，从而改善铝合金的微观组织和综合力学性能［7－8］。

近期，美国铝业公司（Alcoa）在传统2024铝合金的基础上，通过添加微量钪和锆元素研发了2023铝合金，目前，国内外对该新型2023铝合金的研究报道甚少。基于此，作者在实验室制备了2023铝合金板材，研究了微量钪和锆元素及时效工艺对其组织与力学性能的影响，并考察了钪和锆的微合金化作用。

1 试样制备与试验方法

以高纯铝、纯锌、纯镁、铝－锰、铝－铜、铝－铬、铝－钛、铝－锆及铝－钪中间合金为原料，用石墨坩埚在电阻炉中进行熔炼，制备了含锆、钪以及不含锆、钪的试验用铝合金铸锭，分别记为1＃（2023）合金和2＃合金，其化学成分如表1所示。将铸锭进行双级均匀化处理（420℃×8h＋490℃×16h）后再切头铣面、热轧、中间退火，最后冷轧至2mm。经500℃固溶处理、冷水淬火后进行T6（175℃时效）、T8（5%预变形＋175℃时效）两种人工时效处理。

表1 试验合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of tested aluminum alloys（mass）%

显微硬度测试在MTK1000A型显微硬度计上进行，加载时间为15s，加载载荷为1.96N；拉伸试样取自板材的纵向，拉伸试验在MTS858型试验机上进行，拉伸速度为2mm·min－1；显微组织观察在Leica型光学显微镜上进行；透射电镜试样经机械减薄后采用体积比为1∶3的硝酸与甲醇的混合溶液双喷而成，温度约为－30℃；微细结构观察以及微区成分分析在TECNAI G220型透射电镜（TEM）及其附带的能谱仪（EDS）上进行，加速电压为200kV。

2 试验结果与讨论

2.1 时效硬化曲线

由图1可见，在T6状态下，两种合金的时效硬化规律相似，时效初期合金的硬度均随时效时间的延长而不断增大，达到峰值后继续时效时，硬度的变化很小，趋于稳定。T8状态下，合金的硬度达到峰值后有较大幅度下降，并在时效60h后达到稳定。1＃合金的时效响应速度较2＃合金的略快，且硬度较2＃合金的也大，这说明钪和锆的添加能加快铝合金的时效响应速度，并提高其时效硬化能力。对于同一种铝合金，T8峰时效状态下的硬度较T6峰时效状态下的明显增大（如，1＃合金在T8峰时效态下的硬度比T6峰时效态下的高25HV），说明预变形有利于提高其时效硬化能力。另一方面，在T8状态下，两种合金的硬度差别不如T6状态下的大，说明预变形的引入减弱了钪和锆对2023铝合金的时效硬化作用。

2.2 拉伸性能

由图2可知，时效初期两种合金的抗拉强度和屈服强度均随着时效时间的延长而不断增大，当达到峰值后，强度不断减小，最后趋于稳定，而且合金在T8状态下达到峰时效的时间要略短些；另外，两种合金的伸长率均随时效时间的延长而不断下降，最后趋于稳定。从图2（a）中可以看出，T6状态下1＃合金的抗拉强度（σb）比2＃合金的高，峰时效时高23MPa；T8状态下1＃合金的σb与2＃合金的相差不大。从图2（b）中可以看出，T6状态下1＃合金的屈服强 度 （σ0.2）比 2＃合金的高，峰时效态下高21MPa，T8峰时效态下1＃合金的σ0.2比2＃合金的高28MPa。从图2（c）中可以看出，1＃合金在T6、T8峰时效态下的伸长率均比2＃合金的大，说明1＃合金的塑性比2＃合金的好。对于同种合金，T8状态下的σb及σ0.2均远高于T6状态下的，但伸长率却较低，这说明预变形在提高合金强度的同时，降低了其塑性。试验合金在T6、T8峰时效态下的力学性能如表2所示。

2.3 微观组织

表2 试验合金在T6、T8峰时效态下的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of tested alloys in peak－aging of T6and T8states

从图3中可以看出，试验合金在纵截面和横截面上的变形都非常明显，在T8状态下两合金均呈典型的纤维状组织，在T6状态下晶粒被拉长。在轧制平面内，两合金中大小晶粒并存，且两种状态下1＃合金中小尺寸晶粒的数量比2＃合金中的少，1＃合金中的大尺寸晶粒较2＃合金的小；从图3（b）中可明显看出2＃合金的再结晶非常明显。可见，同时添加钪和锆能有效抑制合金的再结晶。

图5 1＃合金晶内球状粒子的EDS谱Fig.5 EDS spectrum of spherical particle in 1＃alloy

在T6峰时效态下，1＃合金晶内析出了大量S′相以及球状粒子，如图4（a）所示，对球状粒子进行EDS分析（图5），可知其为Al3（Sc1－xZrx）；2＃合金晶内也有棒状的S′相析出，但其分布较1＃合金中的稀疏且粗大，另外还有少量粗大的棒状析出相Al6Mn［9］。在T8峰时效态下，1＃合金晶内析出了细小且均匀分布的S′相，以及细小弥散的Al3（Sc1－xZrx）粒子，2＃合金中析出S′相的数量、尺寸与1＃合金中的相差不大，所以其硬度与抗拉强度也相差不大。另外由图4（c），（d）可以看到，1＃合金中的部分针状S′相依附 Al3（Sc1－xZrx）粒子生长，可知，钪和锆在合金中形成的Al3（Sc1－xZrx）粒子促进了2023合金中S′相的析出。通过图4（a），（b）与图4（c），（d）的对比可知，两种合金在T8峰时效态下存在的强化相S′相比T6峰时效态下的更弥散细小，说明预变形增加了S′相的形核点，促进了S′相的弥散析出。

2.4 讨 论

2023合金属于中等铜镁比的铝铜镁系合金，其析出相的脱溶顺序为：α过饱和固溶体→α＋GPB区→α＋S″→α＋S′→α＋S［10］。S′相是2023合金的主要强化相，其主要析出方式为在位错上非均匀形核析出和以GPB区为核心均匀形核析出。另外，在含有钪和锆的合金中，S′相还可以依附于细小弥散的Al3（Sc1－xZrx）粒子形核长大。

大量文献报道［11－13］，在含有钪和锆的铝合金中将析出 Al3（Sc1－xZrx）粒子，Fuller等［5］的研究表明该粒子主要以基体的（100）和（110）晶面为惯析面析出。Al3（Sc1－xZrx）粒子具有较高的热稳定性，在2023合金的熔炼铸造过程中，钪和锆优先从熔体中析出初生Al3（Sc1－xZrx）粒子，该粒子与基体共格而成为铝合金中晶粒非均匀形核的核心，能细化铸态晶粒，起到细晶强化的作用，如图3（a），（b）所示。另外，在铸锭的均匀化退火以及其后的热轧变形甚至固溶后的预变形过程中，铸锭中的钪和锆过饱和溶质原子将析出次生Al3（Sc1－xZrx）粒子，该粒子细小弥散分布于基体中，起到弥散强化的作用；同时该粒子能有效钉扎晶界、位错，抑制再结晶，使合金形成细小的亚晶组织［14］，如图3（c～f）所示，从而起到亚结构强化的作用。因此，在T6状态下，含有钪和锆的1＃合金的硬度、强度比2＃合金的高。另外，1＃合金的时效响应速度较2＃合金的快，这是因为合金在固溶后获得了较多的空位，在铝合金中添加锆后，由于锆原子－空位结合能高（0.24eV），易与空位结合［15］。当同时加入锆和钪时，将降低钪和锆彼此在铝合金基体中的溶解度，促进次生Al3（Sc1－xZrx）相的形成，从而释放出过饱和溶质原子锆或钪所捕获的空位，使基体中含有较多的空位，从而加快合金元素在基体中的扩散速度，促进GPB区的形成，进而促进S′相的析出。

在T8状态下，试验合金通过预变形引入了大量位错，位错作为空位湮没的陷阱，使自由空位的数量减少，使得T8状态下钪和锆的以上一些作用减弱，所以两种合金在T8状态下的时效响应速度基本一样。由于大量位错将成为S′相非均匀形核的位置，从而促进了S′相的大量析出，加上位错缠结等位错间的相互作用，使合金形成的再结晶晶粒较T6状态下的更细小，且含有较多的纤维组织，这就削弱了T8状态下钪和锆对合金强化的作用。因此，两种合金在T8状态下的硬度以及抗拉强度的差别较小，但其硬度、强度较T6状态下的高，而伸长率有所下降。由于1＃合金中含有Al3（Sc1－xZrx）粒子，它能有效钉扎位错，从而使位错脱钉滑移时需要更大的应力，导致其在T6、T8状态下的屈服强度增大。Al3（Sc1－xZrx）粒子对位错、晶界的钉扎作用易使合金在热轧、冷轧过程中呈现强的变形织构，使滑移易于穿过晶界，减少位错在晶内的滑移距离，从而减弱晶界处位错塞积和应力集中的程度，改善合金的塑性。所以在两种时效制度下，1＃合金的伸长率比2＃合金的都大。从图2中还可以看出预变形对2＃合金强度提高的幅度比对1＃合金（2023合金）提高的幅度大，这主要是因为 Al3（Sc1－xZrx）粒子降低了合金性能对时效制度的敏感性造成的。

3 结 论

（1）2023合金在T8峰时效态下的硬度、抗拉强度以及屈服强度分别比T6峰时效态下的高25HV、37MPa、108MPa，但 伸 长 率 却 降 低 了67%。

（2）钪和锆的添加能使合金中形成细小弥散分布的 Al3（Sc1－xZrx）粒子，促进S′相均匀细小地析出，而且该粒子能有效钉扎位错，细化晶粒，抑制晶粒再结晶和长大，使合金获得较少的再结晶组织。

（3）微量钪和锆能加快2023合金在T6态下的时效响应速度，提高其时效硬化能力，并改善其强度和塑性；但在T8态下，随着位错的大量引入，钪和锆的这些作用被减弱。

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