鉺/鈧-鋯微量添加對Al-5Mg-3Zn合金熱軋態組織和性能的影響

左 睿,魏 午,黃 暉,文勝平,韓 穎,劉貞山,石 薇

(1.北京工業大學材料與制造學部,北京 100124;2.東北輕合金有限責任公司,哈爾濱 150000;3.中鋁材料應用研究院有限公司,北京 102209;4.廣東腐蝕科學與技術創新研究院,廣州 510530)

0 引 言

近年來,Al-Mg合金被廣泛應用于航空航天、海洋船舶和軌道交通等領域。相比2XXX系Al-Cu合金和7XXX系Al-Zn合金,Al-Mg合金具有更為優異的耐蝕性、焊接性和易成形性[1-2]。但Al-Mg合金只屬于中等強度鋁合金,因此在不降低其耐腐蝕性能的前提下進一步提高其強度是Al-Mg合金當前的主要研究方向之一。

傳統Al-Mg合金的強化方式主要包括鎂原子的固溶強化和變形產生的加工硬化[3],尋找新的強化方式是改善Al-Mg合金力學性能的有效途徑。研究[4-6]發現,在5083鋁鎂合金中添加適量鋅元素,合金中的析出相由β相轉變為T相,即Mg32(AlZn)49相[6],T相腐蝕電位(-0.813 V)高于β相腐蝕電位(-1.085 V),與基體(-0.812 V)之間電位差更小(參比電極為鉑電極),因此5083鎂鋁合金的耐蝕性能得到提升。并且鋅的添加還可以提升Al-Mg合金的力學性能[7-8]。HOU等[9]研究發現,新型Al-5Mg-3Zn合金相比Al-5Mg合金強度提升約100 MPa。。

此外,在Al-Mg合金中添加稀土元素也能提高其力學性能。添加鈧[10-11]、鉺[12]、鐿[13]、釔[14]等稀土元素能夠形成Al3M析出相,起到細化晶粒的作用,但是Al3M粒子隨著時效時間延長而粗化,強化效果也隨之減弱。為解決這一問題,考慮復合添加鋯和稀土元素。鋯元素是最先被引入到Al-Mg合金中的微合金元素,在Al-Mg合金中可以形成L12結構亞穩相Al3Zr[15-16],與鋁基體共格,起到顯著的固定晶界、位錯和細化晶粒[17-18]的作用。并且鋯元素在鋁基體中的擴散系數相對較小,一般會以率先形成的Al3Sc、Al3Er相為形核位點,最終獲得Al3(Sc, Zr)、Al3(Er, Zr)等具有核殼結構的納米級析出相。這種核殼結構能夠防止析出相粗化并降低成本[19]。XUE等[20]研究發現,向Al-Mg-Mn合金中復合添加鉺和鋯元素,經冷軋及270 ℃×4 h的退火處理后,合金屈服強度可達323 MPa,屬于晶間腐蝕不敏感類別。CHEN等[21]研究發現,鈧、鋯加入后在Al-Zn-Mg合金中形成了Al3(Sc, Zr)相,能夠通過釘扎位錯阻礙疲勞裂紋的擴展,從而提高合金的拉伸性能和疲勞性能。目前關于微合金元素對新型Al-5Mg-3Zn合金影響的相關文獻較少。

為此,作者制備了Al-5Mg-3Zn合金,復合添加微合金元素鋯和鉺或鋯和鈧,并進行熱軋,研究了微合金元素對試驗合金顯微組織、拉伸性能和耐腐蝕性能的影響,以期為新型Al-5Mg-3Zn合金改性提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為工業純鋁、純鎂、純鋅(純度均為99.9%)和Al-6Er、Al-10Zr、Al-2Sc(質量分數/%,下同)中間合金。設計并制備了Al-5Mg-3Zn、Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr、Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金,其實測化學成分見表1。先將3種成分的鑄錠進行280 ℃×10 h + 450 ℃×24 h雙級均勻化處理;然后采用實驗室所有的二輥四輥冷熱軋機對均勻化處理后的鑄錠進行熱軋處理,試樣軋前厚度為30 mm,軋后厚度為5 mm,軋制之前在馬弗爐中于480 ℃下保溫2 h,每軋完一道次放回爐中保溫5～10 min,最終軋制變形量為83%。

表1 3種試驗合金的實測化學成分Table 1 Measured chemical composition of three test alloys

制取熱軋前后金相試樣,經磨拋后,采用FEI QUANTA FEG 650型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察形貌;采用配套的能量色散X射線光譜儀(EDS)分析微區成分;試樣在90%C2H5OH+10%高氯酸(體積分數)電拋液中拋光,采用SEM的電子背散射衍射(EBSD)探頭觀察組織,并采用Channel 5軟件統計再結晶分數。將試樣磨至厚度為50～70 μm,用沖孔器制成直徑約3 mm的小圓片,用電解雙噴儀減薄,電解液為30%CH3OH+70%HNO3(體積分數),溫度保持在-20～-25 ℃,采用JEM-2100F 型透射電子顯微鏡(TEM)觀察試樣晶內及晶界析出相分布。

根據GB/T 228-2010,采用MTS810型萬能力學試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸試樣標距為40 mm。根據ASTM G67,采用硝酸失重法測試腐蝕性能,根據腐蝕質量損失將其腐蝕性能劃分為3個等級:硝酸腐蝕質量損失小于15 mg·cm-2,材料不容易發生晶間腐蝕,處于不敏感區;腐蝕質量損失大于25 mg·cm-2時,材料容易發生晶間腐蝕,處于敏感區;腐蝕質量損失于15～25 mg·cm-2范圍內,材料處于介敏感區,不能僅通過腐蝕質量損失判定晶間腐蝕敏感性,需結合腐蝕形貌來判斷。出現均勻腐蝕或者點蝕特征,表明試樣對晶間腐蝕不敏感;當顯微組織晶界處出現明顯侵蝕,則表明試樣對晶間腐蝕敏感。

2 試驗結果與討論

2.1 鑄態合金顯微組織

3種鑄態合金的SEM形貌如圖1所示,對其進行一次相體積分數統計(每種合金至少統計10張形貌圖),可得:鑄態Al-5Mg-3Zn合金,鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金,鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的一次相體積分數分別為5.76%,7.18%,6.57%。添加微合金元素鋯和鉺或鋯和鈧的合金鑄態組織中存在更多的一次相,這與含鋯和鉺、鋯和鈧相的析出有關。

圖1 3種鑄態合金的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of three as-cast alloys: (a) Al-5Mg-3Zn alloy; (b) Al-5Mg-1Zn-0.2Er-0.1Zr alloy and (c) Al-5Mg-3Z-0.2Sc-0.1Ar alloy

由圖2、圖3和圖4可知,鑄態Al-5Mg-3Zn合金中只有AlMgZn相,鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金中包括AlMgZn相和Al3(Er, Zr)相,鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金中包括大量白色AlMgZn相和少量亮白色Al3(Sc, Zr)相。

圖2 鑄態Al-5Mg-3Zn合金的SEM形貌及EDS面掃描結果Fig.2 SEM morphology (a) and EDS surface scan results (b-d) of Al-5Mg-3Zn as-cast alloy; (b) Al; (c) Mg and (d) Zn

圖3 鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金的SEM形貌及EDS面掃描結果Fig.3 SEM morphology (a) and EDS surface scan results (b-f) of Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr as-cast alloy:(b) Al; (c) Mg; (d) Zn; (e) Er and (f) Zr

圖4 鑄態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的SEM形貌及EDS面掃描結果Fig.4 SEM morphology and (a) EDS surface scan results (b-f) of Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr as-cast alloy:(b) Al; (c) Mg; (d) Zn; (e) Sc and (f) Zr

2.2 熱軋態合金EBSD形貌

由圖5可知:熱軋態Al-5Mg-3Zn合金中主要為再結晶組織且其晶粒尺寸較大,約占整體的57%,剩余以亞晶組織為主,幾乎不存在變形組織,表明合金發生了顯著的動態回復和動態再結晶;熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金晶粒尺寸相比未添加微合金元素合金小,晶粒沿變形方向被拉長,再結晶晶粒數量減小,此時主要以亞晶組織為主,約占整體的76%,再結晶組織約占20%,表明鋯和鉺元素的添加對合金熱軋過程中的動態再結晶有明顯的抑制作用;熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金組織主要為變形組織,晶粒沿變形方向明顯拉長,約占整體的78%,有20%的晶粒發生動態回復,僅2%的晶粒發生動態再結晶。形成的Al3(Sc,Zr)相能夠很好地釘扎位錯和亞晶界,有效阻礙亞晶界的遷移和合并,從而抑制了熱軋過程中動態再結晶和動態回復的發生。綜上可知,復合添加鋯和鉺或鋯和鈧元素時,鋯和鈧元素對Al-5Mg-3Zn合金再結晶的抑制能力要更強,這是因為鈧相對原子質量遠小于鉺,相同質量分數下形成的Al3(Sc,Zr)粒子數量更多,抑制作用更明顯,與研究[22-23]一致。

圖5 3種熱軋態合金的EBSD形貌及再結晶分數統計Fig.5 EBSD morphology (a-c) and recrystallization fraction statistics (d) of three hot-rolled alloys: (a) Al-5Mg-3Zn alloy;(b) Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr alloy and (c) Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr alloy

2.3 熱軋態合金TEM形貌

由圖6可見:熱軋態Al-5Mg-3Zn合金晶內出現少量尺寸較大的棒狀析出相,應為動態析出的T相;熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr、Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶內除了T相,還分別有直徑20 nm左右的圓球狀黑色Al3(Er, Zr)相和Al3(Sc, Zr)相,均呈彌散分布,能夠有效釘扎位錯;3種試驗合金晶界處均無析出相和沉淀析出帶。

圖6 3種熱軋態合金晶內和晶界的TEM形貌Fig.6 TEM morphology of transgranular (a-c) and grain boundary (b-e) of three hot-rolled alloys: (a,d) Al-5Mg-3Zn alloy;(b,e) Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr alloy and (c,f) Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr alloy

2.4 熱軋態合金拉伸性能

熱軋態Al-5Mg-3Zn,Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr,Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的斷后伸長率分別為18.2%,13.7%,20.75%;熱軋態Al-5Mg-3Zn合金抗拉強度,屈服強度分別為334,185 MPa;熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金分別為365,248.5 MPa,相比Al-5Mg-3Zn合金分別提升了9.3%,34.3%;Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金分別為417,251MPa,分別提升了24.8%,35.6%,提升更加明顯。添加微合金元素后合金內形成了彌散分布的Al3(Er, Zr)相和Al3(Sc, Zr)相,能夠有效釘扎位錯,抑制熱軋過程中亞晶界的遷移以及合并,提高合金的再結晶溫度,保留變形組織,提高變形強化作用,鋯、鈧的提升作用尤為明顯。

2.5 熱軋態合金耐腐蝕性能

熱軋態Al-5Mg-3Zn,Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr,Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的腐蝕質量損失分別為1.91,2.24,3.63 mg·cm-2。3種熱軋態試驗合金均表現出良好的耐腐蝕性,處于不敏感區,這是由于3種熱軋態合金晶界處均無連續析出相以及沉淀析出帶。相比之下,熱軋態Al-5Mg-3Zn合金耐腐蝕性能更好,這是因為沒有添加微合金元素的合金熱軋后再結晶程度更高,晶粒之間取向差更大,晶界面積較少,因此發生晶間腐蝕的可能性更小。

3 結 論

(1) 向Al-5Mg-3Zn合金合添加鋯和鉺或鋯和鈧元素能保留更多的變形組織,抑制合金的動態再結晶,且鋯、鈧的抑制作用強于鋯、鉺。熱軋態Al-5Mg-3Zn合金晶內出現少量尺寸較大的棒狀T相;添加鉺和鋯的熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金,添加鈧和鋯的熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶內除了T相,還分別存在直徑約為20 nm的圓球狀黑色Al3(Er, Zr)相和Al3(Sc, Zr)相;3種合金晶界處均無析出相和沉淀析出帶。

(2) 相比熱軋態Al-5Mg-3Zn合金,熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金抗拉強度和屈服強度分別提升了9.3%,34.3%,熱軋態Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金分別提升了24.8%,35.6%,提升更加明顯。

(3) 3種熱軋態試驗合金均保持良好的耐腐蝕性,熱軋態Al-5Mg-3Zn合金的耐腐蝕性能更優。