微量Sc對鋁合金鑄態組織性能的影響論文
摘 要：7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，屬于超強鋁合金，具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能優良等優點，多用于航空航天工業、工兵裝備、大型壓力容器、車輛、建筑、橋梁等。德、美、蘇、法等國在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基礎上成功地開發了7075
關鍵詞：鋁合金壓鑄論文發表,鋁合金論文投稿
7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，屬于超強鋁合金，具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能優良等優點，多用于航空航天工業、工兵裝備、大型壓力容器、車輛、建筑、橋梁等。德、美、蘇、法等國在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基礎上成功地開發了7075，B95，B93和D．TD683等合金，這些合金相對具有較好的力學性能，至今仍廣泛應用于航空航天工業，但是，這些合金在應用中依然很難實現強度、韌性以及抗應力腐蝕性能的最佳組合［1—2］。鈧元素的原子序數為21，在元素周期表中與鈦元素鄰近，屬于3d型過渡元素，同時也是稀土元素的一種。Sc是非常有效的鋁合金細化劑，在鋁合金中添加微量Sc能顯著細化鋁合金鑄錠晶粒，同時又能消除晶內枝晶組織，被認為是迄今為止唯一能生產出具有非枝晶組織半連續鑄錠的變質劑［3—4］。通過加入Sc不僅可以克服其應力腐蝕敏感性的突出問題，并且通過產生Al3Sc等沉淀強化相對基體進行強化，這些沉淀相還可以阻礙晶粒的生長從而細化晶粒獲得優良的強度和塑性的匹配，從而可以做到在降低應力腐蝕敏感性問題的同時不降低強度［5］。研究顯示，含0．3%Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金凝固時Al3(Sc，Zr)相可作為異質形核核心，細化合金鑄態組織，抗拉強度和伸長率顯著高于不加鈧的鋁合金;Sc和Zr復合添加使7005合金延伸率及抗拉強度顯著提高，可以降低Al-Mg-Si-Mn合金的晶粒尺寸;Al-4Mg-0．3Sc合金在動態再結晶過程中Al3Sc粒子阻礙亞晶界遷移，得到了細小均勻晶粒［6—9］。7系鋁合金成分含量不為共晶成分點，低熔點共晶易于出現在晶界處，在結晶過程中發生成分偏析，造成晶界與晶內的成分不一的現象。在高溫下，低熔點共晶的融化會使材料發生蠕變，這種蠕變的速度很慢，很難被立即發現，但當它積累到臨界點時則容易發生斷裂。所以有必要對晶界以及晶內的成分進行分析，從而能夠有效地了解晶界、晶內的成分差異，避免產生脆性晶界，也可以為工程上類似合金的生產提供工藝的參照。文中通過在某7系鋁合金中添加微量Sc，探究不同Sc含量對合金鑄態組織性能及合金主要元素分布情況的影響。
1實驗
在功率為5kW的電爐中用陶瓷坩堝熔煉相應的7系鋁合金，其化學成分(質量分數):Zn為5．0%～6．0%，Mg為1．3%～2．0%，Cu為2．0%～2．6%，Ti為＜0．05%，Fe為＜0．05%，Si為＜0．05%，其他＜0．1%，Al為余量。由于鈧的熔點過高(1541℃)，不適合直接制備鋁鈧合金，因此制備鋁鈧合金時往往需要加入Al-Sc中間合金來實現。實驗前所有原料進行預熱干燥以備用。首先將7系鋁合金放到預熱的坩堝中選用二號覆蓋劑進行覆蓋，加熱到730℃并適當保溫，鋁合金充分熔化后將配制好的不同質量分數(0．05%，0．10%，0．15%，0．20%，0．25%，0．30%，0．35%)的Al-Sc中間合金加入熔體充分攪拌，待合金全部熔化后，加入六氯乙烷精煉合金，經除氣、扒渣，適當保溫后澆入鋼型中水冷。實驗合金經退火熱處理工藝(420℃保溫24h)后，在鑄錠中部同一位置制取金相試樣，試樣經粗磨、精磨、拋光后用Kellers試劑(90%蒸餾水+5%硝酸+2%氫氟酸+3%鹽酸)腐蝕。試驗合金組織觀察和分析分別在4XB-TV光學顯微鏡(OM)和JSM-6490LV掃描電鏡上進行(SEM)，合金相成分采用能譜分析(EDS)，用Image-proplus6．0圖像處理軟件測定晶粒尺寸，用高精度布氏硬度儀測量材料布氏硬度。
2結果與分析
2．1Sc含量對合金微觀組織的影響
圖1a—d分別為Sc的質量分數為0，0．05%，0．1%和0．15%的試樣的微觀組織的金相圖片。合金中未添加Sc時，如圖1a所示，其晶粒粗大，為薔薇狀或團塊狀晶粒，晶粒的大小不均勻，晶間分布著近連續的第二相和少量晶內第二相，晶界處存在較多的非平衡共晶組織，晶粒尺寸約為106μm。隨Sc質量分數增加，樹枝晶大幅減少，球狀晶粒增多，且由于Sc的加入，晶粒逐漸細化，分布趨于均勻，粘結現象明顯減小。當Sc的質量分數0．15%時，如圖1d所示，晶粒趨于圓潤，明顯細化且分布均勻，晶粒尺寸約為45μm，但晶界較寬。圖1e—h分別為Sc的質量分數為0．2%，0．25%，0．3%，0．35%的試樣的微觀組織金相圖。當Sc的質量分數為0．20%時，如圖1e所示，此時的晶粒圓潤而且細小均勻，晶粒球化充分，晶間無明顯的第二相和晶內第二相，晶粒尺寸約為41μm，為理想的鑄態組織。當Sc質量分數大于0．2%時，可以看出晶粒兩極分化現象，晶界寬大且出現明顯第二相，相鄰晶粒間出現搭接、長大、團聚現象，晶粒邊界尖銳，晶粒大小不一且尖銳的晶界會引起應力集中，不利于強度的提高，晶粒尺寸逐漸增加。通過Image-proplus6．0圖像處理軟件對金相圖片進行分析，得到不同Sc含量平均晶粒尺寸及形狀系數，如圖2所示。由圖2可知，隨著Sc的質量分數的'上升，晶粒平均尺寸呈現先下降后上升的趨勢，而形狀系數呈現相反趨勢。當Sc的質量分數增加到0．15%的過程中，晶粒尺寸快速下降，由106μm下降到45μm，晶粒形貌變得均勻圓整;當Sc的質量分數為0．2%時，其晶粒最細小，約為41μm，隨著Sc的質量分數的繼續增加，晶粒尺寸小幅度上升，晶粒間粘結且有棱角，出現惡化趨勢。微量鈧對鋁合金合金化作用的主要原因在于生成穩定的Al3Sc相。由鋁鈧二元相圖可知:在鈧的質量分數為0．60%，溫度為655℃時，會發生共晶反應L→α(Al)+Al3Sc［10］。化合物Al3Sc為Ll2型結構，面心立方晶格(AuCu3型)，點陣常數a=(0．4106±0．007)nm與Al基體(面心立方，a=0．405nm)相似，滿足“點陣匹配原理”，減小兩者的接觸角，能夠很好地潤濕基體晶粒，從而使Al3Sc相質點與基體晶粒結晶面具有較小的表面張力，有利于非均質形核，達到細化、球化晶粒的目的［11］。當Sc的質量分數從0逐漸增加時，此時的Sc固溶在金屬液中，合金熔點下降，固液相線間距增加，形成的Al3Sc增加，晶核增多，晶粒的細化效果顯著。當Sc的質量分數為0．2%時，有大量的晶核同時形成，澆注后為細小、均勻的球狀晶粒。當Sc的質量分數增加到0．30%時，Sc的含量基本達到飽和溶解度(655℃時Sc在鋁中的溶解度為0．32%)。由于過冷度減小，臨界晶核半徑以及形核功均增大，所需的能量起伏大，晶核形成困難，且澆注后形核釋放大量的凝固潛熱，形成負溫度梯度，所以有少量的樹枝晶形成，晶粒逐漸增大［12］。
2．2Sc含量對合金力學性能的影響
顯微硬度是材料塑性變形能力和強度等力學性能的綜合指標，硬度隨Sc含量變化的曲線如圖3所示。不加入Sc時材料的硬度為174．6MPa，隨著Sc的質量分數的增加，其硬度不斷上升;當Sc的質量分數為0．15%，0．2%，0．25%時，其硬度趨于平緩，最大值為244．9MPa。隨著Sc的繼續加入，硬度出現明顯下降，當Sc的質量分數為0．35%時，硬度降低為212．5MPa。添加微量Sc的合金在冷卻過程中，Sc在鋁液中的過飽和固溶體發生分解，其在鋁基體中的很多區域內同時并迅速地以平衡方式產生高度彌散、共格的次生Al3Sc相質點。這些彌散的Al3Sc與位錯反應產生柯氏氣團從而釘扎位錯，阻礙位錯的運動，使位錯滑移所需切應力大大提高;另外這些質點對亞結構具有強烈的穩定化作用，而且許多亞晶界由二維的位錯網絡組成，從而對合金造成了強烈的亞結構強化作用，從而引起合金強化［13］。而Sc質量分數大于0．3%時，由于其含量超過了飽和溶解度，所以會先析出ɑ相(純鋁的結晶相)，這種初生相的存在會軟化基體;由Al-Cu-Sc三元合金相圖可知，Cu與Sc可能形成W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相，這種相在隨后的熱處理工藝中不回溶，W相中的Cu和Sc不參與合金強化，從而降低了硬度。
2．3Sc含量對合金元素分布的影響
對不同特征Sc含量時，晶界與晶內多個點進行掃描與能譜圖分析，求其平均值，得到分析結果如圖4所示。材料不加入Sc時，對比晶界與晶內平均成分，可以看出Al元素明顯偏聚于晶內，而Cu元素明顯偏聚于晶界，Zn和Mg元素主要分布于晶粒內部。隨Sc含量的增加，Zn和Mg元素在晶界與晶內的分布趨于均勻，Cu的晶間偏析逐漸加重;當Sc含量增加到0．35%時，Cu元素在晶界的含量顯著上升到27．47%。由Al-Cu-Sc三元合金相圖可知，與Al固溶體平衡的有3個相:CuAl2，Al3Cu，W(ScCu6．6-4Al5．4-8)，W相在含Sc熔體結晶時形成。隨Sc含量的增加W相比例也增大，而CuAl2的比例則逐漸減小。這說明，在合金中隨著Sc含量增加，形成ScCuAl化合物的能力和趨勢不斷增加，形成CuAl2化合物的能力和趨勢則不斷下降。Sc與合金中Cu強烈的交互作用，以致Sc的加入可以奪取CuAl2化合物中的Cu形成新的化合物。另外銅的熔點較高，在凝固的過程中由于銅含量較少，所以形成低熔點的先析出相，向晶界處富集。隨著凝固過程的進行，銅的富集現象越來越嚴重，最終形成了晶界處銅的偏析現象。Al-Zn-Mg三元相圖可知，未加稀土的合金中，化合物主要為T(Al2Mg3Zn3)相;合金中加Sc后，除T相外，還觀察到含Al，Zn，Mg，Sc四種元素的化合物，且T相的彌散程度和體積分數顯著增加，故Zn，Mg元素的分布趨于均勻［14］。
3結論
1)Sc元素的加入，細化了合金組織中基體晶粒尺寸，改善了基體晶粒形貌;當Sc質量分數為0．2%時，其晶粒最細小，約為41μm，但當Sc的質量分數繼續增加，晶粒出現惡化趨勢。2)添加Sc可以提高合金的硬度，當Sc質量分數為0．25%時，其硬度值最大為244．9MPa;但當Sc的質量分數繼續增加，由于W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相在隨后熱處理工藝中不回溶，從而降低了硬度。3)Sc元素的加入，增加了合金中Cu等元素形成化合物的趨勢和能力，增大了Cu元素的枝晶偏析;減小了合金基體中Zn和Mg等合金元素形成化合物的趨勢和能力，而對其枝晶偏析影響不大。
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