Sc对2055铝锂合金微观组织与力学性能的影响

＊张淑英 傅溶

（湖南工业大学 材料与先进制造学院 湖南 412000）

随着航空航天领域的飞速发展，具有轻质高强、焊接与疲劳等性能优良的铝锂合金成为国际关注热点。进一步获得性能更优良的铝锂合金的有效手段，主要有微合金化与热处理工艺优化。Sc作为Al合金中最具潜力的微合金化元素，基于现有研究结果，其在Al-Cu-Li合金中的作用仍存在争论，有研究者认为，当Sc质量分数超过2%时，合金中将形成大量的粗大W相，对合金性能产生不利影响。但俄罗斯在Cu质量分数约3%的1460铝锂合金中添加微量Sc元素显著提高了合金的强度，并改善了其焊接性能[1-3]。因此，本文对微量Sc对2055合金铸态组织、均匀化组织、时效组织及力学性能的影响进行了系统研究，为今后该合金在我国未来航空工业的应用提供实验参考和依据。

1.实验材料及分析方法

实验以质量分数为99.99%的Al、99.9 9%的Li、99.99%的Mg、99.99%的Zn、99.99%的Cu以及Al-13%Mn、Al-2%Zr、Al-2%Sc等中间合金为原料，在电阻炉中于760℃熔化，经搅拌、除气、静置后，在水冷铜模中浇注获得铝锂合金铸锭。合金主要化学成分如表1所示。

表1 2055铝锂合金的成分表（%）

获得的铸锭经500℃均匀化处理24h后进行热轧冷轧变形，获得厚度为2.7mm的薄板。所得板材于500℃固溶处理1h后施加7%的预变形，在170℃下获得合金的时效硬化曲线，并于CSS-44100型万能材料试验机上以2mm/min的拉伸速率测试合金峰值时效状态下合金的强度变化规律。合金微观组织的变化主要采用徕卡金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针进行表征，并采用扫描电镜对断口进行分析。

2.结果及讨论

(1)Sc元素对2055铝锂合金微观组织的影响

①铸态组织

2055铝锂合金（1#）和添加质量分数为0.1% Sc的2055铝锂合金（2#）经机械抛光，在柯尔试剂（HF 2%ml、HCl 3%ml、HNO35%ml、H2O 90%ml）中腐蚀，在光学显微镜下观察其铸态组织形貌，结果如图1所示。

图1 2055及2055-Sc合金铸态组织

从图1(a)(c)可以看出，1#合金中晶粒呈粗大且不规则的形态，存在着大量的枝晶组织，大量的非平衡共晶化合物沿着晶界富集，对热加工性能有着极为不利的影响[4]。而图1(b)(d)显示2#合金的组织细化且树枝晶减少。表明微量的Sc元素的添加可以减少合金在凝固过程中的成分偏析，对合金铸态组织产生了晶粒细化作用[5]。

②均匀化组织

为了探究添加微量Sc元素对合金均匀化前后的元素分布情况有什么影响，借助EPMA、SEM对各个合金元素在晶粒内外分布情况进行分析，结果如图2～图5所示。

图2 1#合金铸态组织元素分布

由图2可知，在SEM照片中，晶界处亮度较高的第二相对应的地方，Cu、Ag、Mg、Mn和Zn元素均有不同程度的偏聚现象，其中Cu、Mg、Ag和Zn在晶界处的含量明显高于晶粒内部，而Zr分布相对比较均匀。晶界相为富Cu相，可能为Al7Cu2Fe相、AlCuFeMn相、Al2CuMg及Al2Cu相[6]，该系列粗大相在晶界附近均不同程度的富集，Ag、Mg、Cu元素偏聚于晶界与粗大相附近，Zn有轻微偏聚，偏聚程度低于Ag、Mg、Cu元素。经500℃/24h均匀化后，合金中的Mg、Ag、Zn元素从晶界向晶内扩散，这些元素在晶界和晶内的偏析得到改善，几乎全部溶解进入铝基体中，均匀分布在晶粒内，如图3所示。此外，图3中衬度较亮的棒状相可观察到Cu、Zr的偏聚，该相可能为铸造或均匀化过程中形成的AlCuZr相[7]，衬度较弱的第二相中可观察主要以Cu和Mn偏聚为主，该相可能为AlCuMn相，在500℃均匀化温度下均可稳定存在，仍残留在晶界上。

图3 1#合金均匀化组织元素分布

图4、图5为含Sc的2055合金均匀化前后微观组织的变化规律。由图可知，含Sc的2055合金中铸态组织同样可观察到Cu、Mg、Ag、Zn等元素的偏聚，其规律及可能形成的相与不含Sc的2055合金基本相当。与不含Sc合金显著不同的是，晶界粗大第二相Cu偏聚的局部可观察到Sc的偏聚。微量Sc添加的2055合金在铸造过程中便形成了粗大W相，图2中可观察到含Sc的2055合金中第二相颗粒增多。另外，过渡族元素在Al中扩散速度小，凝固时合金元素扩散不完全均匀，所以部分Sc原子和Zr原子与Al原子形成初生Al3(Sc,Zr)粒子，该相的存在可为合金凝固过程提供形核质点，显著减小合金的铸态晶粒[8-9]。经500℃均匀化处理后，Mg、Ag、Zn等元素均匀分布于基体内部，但Cu偏聚的部位仍可观察到少量Sc的偏聚。因此，与可回溶的Al2CuMg、Al2Cu相不同，Sc以W相与初生Al3(Sc,Zr)粒子的形式稳定存在于合金中。

图4 2#合金铸态组织元素分布

③时效组织

将7%的预拉伸变形后在170℃进行时效处理后的实验试样通过机械减薄至80～100μm，再经冲样器获得直径为3mm的圆片。把圆片置于体积比为3:1的甲醇和硝酸溶液中进行双喷处理，双喷温度为-25℃，电压为17V。酒精清洗后进行透射电镜观察，其TEM照片如图6所示。

从图6可以看出：2055铝锂合金(1#)经12h的时效强化以后，主要强化相为盘状的T1相(Al2CuLi)，添加质量分数为0.1% Sc元素的2055铝锂合金(2#)的主要强化相仍为T1相。故Sc元素的加入并没有使合金的主要强化相的种类发生变化。析出相T1相仍然是合金的主要强化相。

合金熔体结晶时产生的W相（Al3～8Cu2～4Sc）是一种粗大而且难熔的相。W相不溶解，消耗了合金中的Cu溶质原子，主要强化相T1的析出体积分数可能会减少，从而合金强度降低、塑韧性下降[10-11]。因为Cu和Sc两种成分都会溶入难熔相W相而不参与强化。因此，对于以热处理强化为主的Al-Cu-Li系2055铝锂合金，微量Sc元素的添加没有明显强化作用。

(2)Sc元素对2055铝锂合金力学性能的影响

如图7显示的是实验合金经过505℃/2h固溶处理后在170℃的温度下进行时效时，合金的维氏硬度随着时效时间的变化曲线。

图7 实验合金硬度-时效时间曲线

从图中可以看出：在同一温度下，两种实验合金的硬度随时效时间表现出几乎相同的变化规律。即合金时效的响应速率相差不大，最后两个实验合金达到峰值硬度所需要的时间基本一致。在时效初期两种合金的硬度都迅速上升，时效大约6h左右，2055铝锂合金（1#）硬度已经达到187HV，相对的添加质量分数为0.1% Sc的2055铝锂合金（2#）硬度已经达到了182HV。此后，合金的硬度会随着时间的延长而继续提高，增长速度开始变快。经过11h左右的时效处理，两种实验合金先后达到它们的峰值硬度，2055铝锂合金（1#）的峰值硬度为192HV，添加质量分数为0.1% Sc的2055铝锂合金（2#）峰值硬度达到187HV。此后，合金的硬度会随着时间的增长开始缓慢下降。由图7我们可以注意到微量Sc元素的加入使2#合金的硬度比没有添加Sc元素的1#合金的峰值硬度低一些。这是因为形成的难熔的W相，在时效过程中不回溶，导致力学性能下降，硬度降低[12]。

表2表示两种实验合金在170℃的温度时效11h后的力学性能。图8显示的是实验合金拉伸断口的扫描电镜图像。

图8 实验合金拉伸试样断口扫描照片

表2 两种合金170℃时效8h后的力学性能

从表2可以看出1#合金在170℃时效后，抗拉强度570MP，延伸率为7.9%。2#合金在170℃时效后，抗拉强度552MP，延伸率为9.0%。微量Sc添加的2055合金强度较2055合金低，韧性较2055合金好。该结果与时效硬化曲线的结果基本一致。由图8(a)(c)可知，2055铝锂合金（1#）中的断裂模式主要为沿晶断裂为主，晶粒内部可观察到大量细小韧窝。由图8(b)(d)可知质量分数为0.1% Sc的铝锂合金（2#）由于第二相的存在造成了较大的韧窝花样组织，还可观察到断裂小平面、脊线，断裂模式以穿晶和沿晶混合断裂为主。断口处粗大第二相的EDS结果显示，产生脆断的粗大颗粒应为W相。因此，Sc添加的2055合金在铸态和均匀化过程中形成了W相，该相随着后续的热轧冷轧加工被破碎。该相的形成消耗了合金主强化相T1相所必须的溶质原子Cu，可引起T1相析出体积分数的降低，从而使合金强度下降[13]。其次，W相为高温脆性粗大相，该相的大量形成使裂纹易于形成，导致穿晶断裂，使合金强度下降。

3.结论

（1）0.1% Sc添加可在一定程度上减少2055铝锂合金凝固过程中成分偏析的现象，并可消除合金枝晶，具有明显细化晶粒的作用。

（2）0.1% Sc添加的2055铝锂合金铸造过程中可形成一种含Sc的粗大第二相W相，但并未对该合金均匀化制度及均匀化效果产生显著影响。2055铝锂合金与0.1% Sc添加的2055铝锂合金经过500℃/24h均匀化处理后，晶界偏聚的Cu、Ag、Zn、Mg、Zr、Sc元素均匀分布于基体内，铸造过程中形成的可回溶的粗大非平衡相回溶进基体。

（3）经170℃&T8人工时效后，2055铝锂合金与0.1% Sc添加的2055铝锂合金的主要强化相均为T1相，微量Sc的添加并未对合金的强化相类型产生影响。但铸造与均匀化过程中形成的粗大W相时效后未发生回溶现象，经热轧冷轧后被破碎分布于基体内，导致基体内粗大相含量的显著增加。

（4）0.1% Sc添加的2055铝锂合金硬度显著低于2055铝锂合金，断裂模式由韧性断裂为主的模式改变为韧性+脆性断裂为主的模式。这主要是由于Sc的添加导致大量粗大脆性W相的形成，同时W相消耗了强化相T1相形成所必须的Cu溶质原子，从而降低T1相的析出体积分数。