合金化与热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu合金组织和性能的影响

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(1.广西大学行健文理学院， 广西南宁530004；2.广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室， 广西南宁530004；3.广西大学广西生态型铝产业协同创新中心， 广西南宁530004；4.广西大学资源环境与材料学院， 广西南宁530004)

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu系合金具有强度、硬度高，焊接性能、加工性能良好等优点，是航空、航天轨道交通等领域的首选材料[1-2]。但是随着工业的快速发展，各行业对Al-Zn-Mg-Cu系合金提出了更严苛的要求[3-4]，该系合金在应用中逐渐暴露出诸多不足，如断裂韧性较低、纵向横向强度有很大差异、抗应力腐蚀能力较差，这些问题很大程度上阻碍了该合金材料的广泛使用[5]。因此，材料科研工作者则致力于研究出高强度、高韧性、抗疲劳、耐腐蚀等高综合性能的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。合金化与热处理是提高合金材料行之有效的途径，通过向合金中加入一种或多种微合金化元素通常能在一定程度上提升材料的性能[6-8]，且经过热处理后的合金一般均能大幅度提高合金的综合性能，通过均匀化处理，能够在一定程度上消除晶间偏析，从而使材料的组织和性能得到改善；经过固溶、时效热处理后，使过饱和固溶体分解析出第二相粒子，进而提高合金的性能。Li等[9]研究发现，Sc的添加能够细化晶粒尺寸和粗大的二次相，这是因为在晶界或者其附近形成η-MgZn2和 Al3(Sc, Zr)相杂化的结构。他们还推断出在凝固的过程中主要的Al3(Sc, Zr)颗粒作为η-MgZn2相形核。随着Sc含量的增加，晶界中连续的二次相逐渐转化为细小的不连续颗粒相，是合金拉伸强度和延伸率提升的关键所在。

稀土Ho元素能够净化晶界和细化基体组织[10]；Zr元素可以细化晶粒，同时有一定的除气净化作用[11]。虽然Zr在铝合金中的作用研究已有大量的研究，但国内外研究在Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中同时添加稀土Ho与Zr，研究合金化与热处理对合金的影响尚少。

本文以Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金为研究对象，在合金中分别加入含量为0.1 %、0.2 %、0.3 %和0.4 %的Zr，考查合金铸态、均匀化、固溶后时效三种状态后组织与性能。对合金进行了拉伸和硬度试验、导电率测试、金相显微镜观察、扫描电镜观察及能谱分析等，探讨稀土Ho和Zr合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu合金的组织和性能的影响，建立合金成分—热处理—性能之间的关系，为该系列合金的后续研究提供一定参考和借鉴。

1 试验

1.1 试样制备

本次实验所用原料为纯Al、Al-20 %Zn、Al-20 %Mg 、Al-50 %Cu、Al-10 %Zr和Al-30 %Ho，按重量百分比配制Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金，然后在Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金基础上分别加入0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %的Zr，从而制备出五种不同成分的试样合金，分别命名为1#、2#、3#、4#和5#合金。

先将纯Al、Al-20 %Zn、Al-20 %Mg 、Al-50 %Cu、Al-10 %Zr和Al-30 %Ho加工成小块样，经过清理、清洁熔炼炉炉膛和坩埚→熔炼炉预热→工具刷涂及预热→炉料、覆盖剂和精炼剂预热→熔炼→精炼→浇铸→冷却开模等熔铸工艺，制备出试样合金。各合金经过460 ℃/2 h随炉空冷均匀处理，470 ℃/2 h水淬+120 ℃/24 h空冷时效处理。

1.2 试验研究方法

使用德国徕卡DM2700Pp/MC170金相显微镜观察合金不同状态的晶粒尺寸和形貌等；采用附带能谱的Phenom ProX扫描电镜观察合金在不同状态组织形貌，并利用自带的能谱分析仪测定特征组织的元素组成及含量，分析可能形成的相；采用Instron8801万能材料试验机测定合金的抗拉强度σb；采用显微硬度计测量试样硬度，所用的加载力F=1.961 N，保持时间t=10 s，分别对每个试样5个不同的点进行测量，并取其算数平均值；采用Sigma2008A数字涡流电导仪对每个试样进行5次测试，取其算数平均值，得出合金的导电率。

2 结果及分析

2.1 Zr含量及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金显微组织的影响

图1为不同Zr含量的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho铸态合金的显微组织。由图1(a)可知，未添加Zr的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho组织晶粒较粗大，柱状晶粒较明显；由图1(b)可得，当合金添加了0.2 %的Zr之后，合金中的柱状晶明显减少，晶粒变细，呈球化趋势，晶界清晰可见；当添加Zr达到0.4 %时，晶粒有长大趋势，但还是以球形晶粒居多，相比未添加Zr的合金的晶粒细小，见图1(c)。Ho元素在一定程度上可以细化铝合金的晶粒[10]，复合添加Ho和Zr效果更为明显，在Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金中添加0.2 %Zr，枝晶熔断，大部分晶粒成球化趋势，晶粒明显细化。但当Zr含量继续增加，达到0.4 %时，晶粒不但没有进一步细化，反而有长大趋势，细化的小晶粒已规整的长大，但晶粒还是比未添加Zr元素时细化。合金中加入一定含量的Zr元素，在炼过程中与其他元素相互作用产生成核的原子团，起到细化剂的作用，并且Zr元素与Al基体结合形成细小的Al3Zr，细小的Al3Zr在合金中相对其他相来说比较稳定，且熔点较高，能够作为合金凝固过程中非均质形核细化剂使用，从而起到细化晶粒的作用。但Zr含量超过一定范围时，形成偏聚或者形成粗大的Al3Zr相，失去固溶在基体中的Zr元素或者形成细小Al3Zr相的作用。粗大的Al3Zr相呈脆性，对合金后续加工和使用性能产生不利的影响[9,12-13]。因此，一定含量Zr元素能起到细化铝合金的作用，有利于提高合金的性能，但当进一步增加Zr含量，合金的晶粒反而增大，于合金的性能不利。

(a) 0.5 %Ho、0 %Zr(b) 0.5 %Ho、0.2 %Zr(c) 0.5 %Ho、0.4 %Zr

图2为Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr合金在不同状态的显微组织形貌，合金在不同状态下选取典型部位进行能谱分析，如表1所示。

(a) 铸态(b) 均匀化(c) 时效

如图2(a)中所示，A处为基体，主要为Al，属于典型的α-Al固溶体，B处为网状灰色的枝晶间共晶体，经能谱分析可知，该处组织主要由Al、Mg、Zn和Cu四种元素组成，原子分数比接近6∶2∶1∶1，可推测该相可能是Mg(Zn,Al,Cu)2相，因此，合金铸态组织主要由α-Al固溶体和Mg(Zn,Al,Cu)2相组成。图2(b)中，C处可见断续网格状相，但形状较铸态变小，原子分数比依然接近6∶2∶1∶1，可知该处与图2(a)中B处相似，依然是Mg(Zn,Al,Cu)2相，经过均匀化热处理后，该相并没有完全溶入基体。D处亮条块状，该亮条块在基体上有多处分布，经能谱分析可知，其主要元素为Al和Cu，原子比接近为2∶1，推测其为Al2Cu相。由此可知，合金该Al2Cu应为铸态组织中即存在的相，并未完全溶入基体中。图2(b)中显示网状Mg(Zn,Al,Cu)2灰色相变细变少。图2(c)中， E处可见长条状白亮相分布于基体，经能谱分析可知，该处组织主要由Al、Zr元素组成，原子数之比约为3∶1，可以推测其为Al3Zr。Al3Zr热稳定性好，熔点高，合金经过热处理后，该相不会转变为其他相或重新溶入基体。

表1 不同热处理状态下Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr合金微观组织中各相的化学成分Tab.1 Chemical components for all phases of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho-0.2Zr under different heat treatment condition %

2.2 合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho铝合金力学性能的影响

2.2.1 抗拉强度

图3为合金元素含量与热处理对合金抗拉强度的影响。由图3可知，合金元素含量与热处理均对合金的抗拉强度产生很大的影响。

Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金的抗拉强度随Zr含量的增加先上升后下降，铸态、均匀化处理和时效处理的变化趋势基本一致，Zr含量为0.2 %时达到峰值，这一变化趋势与前述的Zr含量与合金组织之间的关系相吻合。而同一种成分的合金经过均匀化处理和时效处理后均能提高合金的抗拉强度，但时效处理对合金的抗拉强度提升尤为明显。以Zr含量为0.2 %的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金为例，铸态、均匀化处理和时效处理的抗拉强度分别为260 MPa、327 MPa和417 MPa，该合金经过时效处理后，抗拉强度提高了60.4 %，说明热处理是该合金强化的重要手段之一。因为铸态的合金存在粗大非平衡共晶组织、枝晶偏析及区域偏析等缺陷，经过均匀化处理后这些得到有效的消除，从而提高了合金的抗拉强度，而经过时效处理后，过饱和固溶体弥散析出以及高熔点的Al3Zr细小弥散颗粒起到弥散强化的作用，进一步提高合金的抗拉强度。

2.2.2 显微硬度

图4为合金元素含量与热处理对合金显微硬度的影响，由图4可知，合金的抗拉强度受到合金元素含量与热处理均的影响很大。从图4中可以看出，加入Zr元素均可以提高合金的显微硬度，铸态、均匀化处理和时效处理的变化趋势基本一致，当Zr含量为0.2 %时达到峰值，这一变化规律与抗拉强度的变化规律基本一致，但与抗拉强度的变化规律不一样的是Zr含量对合金的显微硬度影响不像抗拉强度那么显著。而同一种合金，均匀化处理后的显微硬度略有下降，时效处理后的显微硬度有较大的提高，说明时效热处理对提高该合金显微硬度很有效。合金经过时效处理后，高熔点的Al3Zr细小弥散颗粒和合金中的弥散强化相共同作用，提高了合金的显微硬度。

图3 合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金抗拉强度的影响
Fig.3 Effect of alloying and heat treatment on tensilestrength of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho alloy

图4 合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金显微硬度的影响
Fig.4 Effect of alloying and heat treatment onhardness of Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho alloy

2.3 合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho铝合金导电率的影响

图5 合金化及热处理对Al-6.5Zn-2.1Mg- 2.0Cu-0.5Ho合金导电率的影响Fig.5 Effect of alloying and heat treatment on electrical conductivity of Al-6.5Zn-2.1Mg- 2.0Cu-0.5Ho alloy

图5为合金元素含量与热处理对合金导电率的影响，由图5可以看出，合金在铸态、均匀化处理和时效处理的变化趋势基本一致，随着Zr含量的增加，合金的导电率不断下降。值得注意的是合金在铸态时，Zr含量超过0.1 %导电率有一个突然下降的趋势，但随着Zr含量的继续增加，导电率变化不大。同一种合金，均匀化处理和时效处理均可以提高合金的导电率。在合金中增加合金元素的种类和含量致使更多的溶质原子或第二相粒子溶入α-Al基体，这些第二相粒子与铝基体原子的结构和大小不同，当第二相粒子溶入基体后会引起晶格畸变，并且合金元素含量的增加，成分偏析的几率增大，电子在合金中的运动受到晶格畸变和成分偏析的阻碍和散射，使得合金的导电率有所降低[8]，但合金经过热处理后，消除了合金中成分偏析、晶格畸变等不利于电子运动的缺陷，从而提高了合金的导电率。

3 结论

①一定含量的Zr元素对Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金起到细化晶粒的作用，但过量添加Zr元素，合金的晶粒反而长大，本实验得出最佳的Zr含量为0.2 %。。

②铸态、均匀化处理和时效处理后的Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金，抗拉强度均随Zr含量的增加先上升后下降，当Zr含量为0.2 %时，三种状态下的抗拉强度达到峰值，分别为260MPa、327MPa和417MPa。显微硬度的变化趋势与抗拉强度的变化趋势基本一致，但导电率却随着Zr含量的增加而降低。

③时效处理均能提高合金的抗拉强度、显微硬度和导电率，时效热处理是提高Al-6.5Zn-2.1Mg-2.0Cu-0.5Ho合金性能的有效手段。