锰元素对喷射成形高强铝合金固溶组织和性能的影响

1、锰元素对喷射成形高强铝合金固溶组织和性能的影响季飞蔡元华张济山郝斌（北京科技大学新金属材料国家重点实验室 100083）摘要：利用光镜，扫描电镜和X射线衍射的观察以及力学性能检测，研究了在高强铝合金中加入锰后对合金固溶组织、拉伸性能以及断口形貌的影响。结果表明，加入锰后能使固溶温度得到提高；通过断口形貌SEM扫描可以看出，含锰铝合金的韧窝比不含锰铝合金要细小，在不出现粗大含锰相时，加锰后断口上沿晶断裂减小；同时在高强铝合金中添加锰元素能提高材料的屈服强度和极限抗拉强度。关键词：喷射成成形；超超高强铝铝合金；显微组组织；Mn；性性能分类号：Inflluennce of Mn conntennt

2、oon mmicrrosttruccturre oof sspraay-fformmed 7xxxx sseriies aluuminnum allloyJI FFei, CAAI YYuann-huua, ZHAANG Ji-shaan, HAOO Biin (Staate Keyy Laaborratoory of Advvancced Mettal Matteriial 10000833)Absttracct:TTheaaffeect of Mn on sollutiion strructturee，tennsille sstreengtth aand miccroggrapphs of

3、 fraactuure of ulttra-higgh sstreengtth aalumminuum aallooys werre sstuddiedd byy usse oof OOP,SSEM andd XRRD aanallysiis. The ressultts shhow thaat MMn eelemmentt wiill inccreaase sollutiion temmperratuure; allumiinumm allloyy wiith manngannesee haas ssmalllerr siize of dimmplee annd lloweer ffracc

4、tioon oof iinteergrranuual fraactuure surrfacce tthann thhosee off allumiinumm allloyy wiithoout manngannesee whhen coaarsee prreciipittatees cconttainningg maangaanesse ddid nott apppeaar;wwithh maangaanesse aaddeed, it willl iimprrovee YSS annd UUTS of higgh sstreengtth aalumminuum aallooy.Key wor

5、rds: spprayy deepossitiion; ulltraa-hiigh strrenggth aluuminnum allloy; miicroostrructturee; MMn; prooperrty前言高强铝合合金具有有密度小小，强度度高，加加工性能能好等特特点，在在航空航航天和交交通运输输等领域域得到广广泛应用用。作为为主要航航空航天天结构材材料的铝铝合金正正向超高高强度、耐腐蚀蚀、低密度度、耐热方方向发展展1，2。其中，Al-Zn-Mg-Cu系系超高强强铝合金金具有广广阔应用用前景，其发展展方向是是进一步步提高合合金的强强度和综综合性能能2。在材料制制备过程程中，通通过细

6、化化晶粒，提高合合金元素素的固溶溶度，添添加微量量元素，减少杂杂质含量量，选择择合适的的热处理理工艺等等方法都都可以提提高铝合合金的强强度和塑塑性。随着热热处理工工艺的日日趋完善善，在铝铝合金中中添加微微量元素素从而提提高铝合合金的综综合性能能越来越越受到研研究者的的重视。近年的的研究发发现，在在7xxxx系铝合金金中添加加锰，不不仅能细化晶晶粒、阻阻碍基体体晶粒长长大和再再结晶，而且，在不降降低铝合合金塑性性和韧性性的情况况下，能能显著地地提高铝铝合金强强度33-5。这主主要是由由于在铝铝合金固固溶体中中形成了了细小弥弥散的含含锰相，这种在在合金中中均匀分分布的含含锰相的的产生阻阻碍了晶晶粒

7、的长长大。同同时由于于含锰相相的硬度度比铝合合金固溶溶体的硬硬度大许许多，在在合金塑塑性变形形时，含含锰相促促进了晶晶粒的均均匀变形形，使滑滑移难以以进行，从而降降低了合合金中的的应力应应变集中中。本文分析析了用喷喷射成形形工艺制制备的超超高强铝铝合金中中加入锰锰含量为0.0%2.0%的的三种7xxxx系系超高强强铝合金金，确定定了在超高高强铝合合金中添添加锰元元素对铝铝合金固固溶处理理和拉伸伸性能的的影响，为喷射射成形超超高强铝铝合金成成分设计计以及变变形加工工热处理理提供依依据。实验方法法实验用合合金成分分如表11。雾化化气体为为工业纯纯氮气，雾化压压力为00.500.6MMPa；喷射时时

8、接受基基板转速速为接收收盘旋转转速度330600rpmm，接受受基板下下降速度度为0.5mmm/seec， 雾化距距离38804000mm ，斜喷角角20330，喷射射沉积雾雾化温度度为72207550。沉积坯经经机加工工之后进进行挤压压。挤压压温度为为4200，挤压比比为200：1。固溶处理理时间定定为900minn，固溶溶温度分别别为4770、4800、4900、5000。设置了了两种时时效制度度，分别别为122024hh和13020h。组织分分析和能能谱分析析在Cammbriidgee-S2250 型扫描描电镜（SEMM）上进进行，XX射线衍衍射在PPhillipss APPD-110型

9、射射线衍射射仪上完完成，强度测测试在MMTS8810力力学性能能试验机机上进行行。表1合金化化学成分分Tablle1 commpossitiionss off allloyys（mmasss frracttionn，%）ZnMgCuMnAl9.0%3.0%1.5%0.0%Bal.9.0%3.0%1.5%1.0%Bal.9.0%3.0%1.5%2.0%Bal.试验结果果及讨论论Mn对固固溶态组组织的影影响图1是不不含锰元元素的铝铝合金和和含锰元元素的铝铝合金在在不同固固溶温度度下同一一放大倍倍数的光光镜照片片对比图图。从图图中可以以看出，当温度度达到4480时，不不含锰元元素的铝铝合金已已经开始

10、始出现部部分再晶晶粒现象象，而含锰元元素的铝铝合金在在4800时晶粒粒还十分分细小，没有发发生再结结晶。温度达达到4990时，不不含锰元元素的铝铝合金出出现完全全再结晶晶，含锰锰元素的的铝合金金出现部部分再结结晶。从光镜镜照片对对比中可可以看出出，含锰锰元素的的铝合金金晶粒长长大速度度明显比比不含锰锰元素铝铝合金的的晶粒长长大速度度要慢。从图中中可以得得出，锰锰元素的的加入能能有效的的阻止晶晶粒长大大，从而而能够提提高合金金的固溶温温度，进进而达到到在固溶溶处理过过程中使使铝合金金中的第第二相粒粒子充分分回溶的目的的。（a） 0.0%Mn,4800(b) 0.0%Mn,4900(c) 2.0%

11、Mn,4800(d) 2.0%Mn,4900图1 固固溶态合合金金相相组织照照片Fig.1 PPictturees oof mmetaalloograaphiic mmicrrosttruccturre aafteer ssoluutioon ttreaatmeent 图2为固固溶组织织扫描电电镜照片片。从左左图中可可以看出出，当固固溶温度度达到4480时，不含含锰元素素的铝合合金晶内内的析出出相基本本上都已已经回溶溶，在晶晶内已经经看不到到细小的的白色点点状相，只在晶晶界上尚尚有少量量白色点点状相。通过能能谱分析析可知，这些晶晶界上未未溶的白白色点状状相为富富铜相，可知含含铜相的的溶解温温度

12、较高高。含锰铝铝合金的的扫描电电镜照片片如右图图所示，通过能能谱可知知，在晶晶界上存存在亮白白色的富富铜相7和和方块状状的含锰锰相两种种相。根据有有关文献献报道，如果冷冷却速度度足够大大，锰在在合金中中的固溶溶度能达达到9.2%6。但是由由于喷射射成形过过程中冷冷速不够够，在冷冷却过程程中，在在晶界上上析出了了含锰相相，含锰锰相的尺尺寸大约约在410m之间间。在挤挤压过程程中，有有部分含含锰相被被破碎，大部分分含锰相相的长轴轴沿挤压压方向发发生旋转转，所以以从垂直直挤压方方向看含含锰相只只有方块块状，没没有长条条形状。（a） 0.0%Mn，4800（b） 2.0%Mn,4800图2 高高强铝合

13、合金固溶溶态SEEM照片片Fig.2 SSEM piccturres of higgh sstreengtth aalumminuum aallooy aafteer ssoluutioon ttreaatmeent 图3为含含锰量为为1.00%的铝铝合金固固溶处理理后的XX射线衍衍射图。从图中中的XRRD分析析可以看看出，随随温度升升高，铝铝合金中中的第二二相粒子子逐渐回回溶。当当固溶温温度达到到4800时，经固溶溶处理后后，MggZn22相已经经差不多多全部溶溶解在基基体中。当固溶溶温度达达到5000时，部分分Al66Mn相相溶解到到基体中中，同时时沿挤压压方向的的织构消消除，晶晶粒发生生

14、完全再再结晶。从X射射线衍射射曲线上上显示为为在挤压压过程中中消失的的衍射峰峰在曲线线上重新新出现。不含锰锰铝合金金的X射射线曲线线和含锰锰铝合金金的基本本相同，就是曲曲线中没没有MnnAl66相。图3 含含1.00%Mnn的高强强铝合金金的XRRD分析析Fig.3 XXRD anaalyssis of higgh sstreengtth aalumminuum aallooy wwithh 1.0% Mn 合金力力学性能能表1所列列是4885，900minn+1220，244h固溶溶、时效处处理后的的铝合金金拉伸性能能测试结结果。从从表中可可以看出出，在加加入锰元元素后，铝合金金的断裂裂强度

15、b和屈服服强度0.22都有很很大提高高，延伸伸率略有有下降。由此可可见，目目前所制制备的锰锰增韧铝铝合金达达到了较较高的强强度水平平。通过过比较可可知，铝铝合金强强度的提提高主要要是由于于在合金金内部析析出了含含锰相。含锰相相主要有有两种形形态。一一种为在在喷射过过程中析析出的含含锰相，这种含含锰相尺尺寸较大大，一般为为4110m，呈长长条形，沿晶界界析出。一种为为热处理理过程中中析出的的含锰相相，这种种含锰相相尺寸细细小，一一般不超超过1m，呈现现晶须状状，在晶晶内析出出。少量粗粗大含锰锰相对合合金性能能的影响响尚不明明确，但但如果析析出大量量粗大含锰锰相，将将会降低低合金的的性能。当锰含含

16、量达到到2.00%时，由于喷喷射成形形过程中中冷速不不够，由由于在晶晶界上析析出了大大量的大大尺寸含含锰相，成为合合金断裂裂的断裂裂源，所所以铝合合金的拉拉伸力学学性能有有所下降降。如何何在喷射射成形过过程中提提高锰元元素在沉沉积坯中中的固溶溶度，使使锰元素素能在后后续热加加工过程程中以晶晶须状析析出，是是当前研研究的一一个重点点。表2 铝铝合金室室温拉伸伸强度Tablle2 tennsille sstreengtth oof aalumminuum aallooy oon nnormmal temmperratuure 合金UTS/MPaaYS/MMPa延伸率备注AM2007757503.5

17、%48590mmin120024hhAM1008037604.0%48590mmin120024hhAM0006065604.5%48590mmin120024hh合金断裂裂行为从图4（a）中中可见，不含锰锰铝合金金的拉伸伸件呈现现纤维状状延伸断断裂，断断口以微孔聚聚集而成成的韧窝窝为主，有少量量晶界裂裂纹，显显示断裂裂属于第第二相粒粒子引起起的晶内内断裂与与沿晶断裂裂的混合合型断裂裂8。而在含锰锰铝合金金中纤维维状组织织减少，相对不不含锰铝铝合金，其沿晶晶断裂有有所减少少。从图4（c）和图44（d）中可以以看出，含锰铝铝合金大大部分韧韧窝为分分布均匀匀的等轴轴韧窝，直径约约小于11m。不含锰

18、锰铝合金金韧窝尺尺寸大部部分大于于5m。可可见，在在铝合金金中添加加锰元素素后能使使断口韧韧窝尺寸寸减小。根据NNam等等人的研研究结果果9：含MMn沉淀淀相作为为一种位位错不可可切割的的粒子，它们和和位错的的交互作作用，阻阻止了位位错的运运动，使使得拉伸伸时硬化化指数明明显提高高，同时时使得滑滑移在合合金每一一个晶粒粒中均匀匀发生以以及促使使平面滑滑移向交交滑移转转变，形形成晶粒粒中均匀匀分布的的细小滑滑移带，而不是是产生局局部的应应变或应应力集中中，从而而使合金金维持一一个较为为恒定一一致的延延伸率，也随之之使断口口韧窝尺尺寸减小小。对于含有有锰元素素的铝合合金，在在断口上上还分布布着一些

19、些尺寸为为26m的孔孔洞，是是在试样样拉伸过过程中，晶界上上粗大的的含锰相相脱离铝铝合金基基体时导导致。从图44（c）和4（d）中中可以看看出，当当锰含量量不同时时，随着着锰含量量的增加加，由于于粗大的的含锰相相数量增增加，铝铝合金试试样断口口上沿晶晶断裂有所所增加。（a） 0.00%Mnn （b） 2.0%MMn （cc） 11.0%Mn （d） 2.0%MMn图4 高高强铝合合金拉伸伸断口（SEMM）像Fig.4 TTenssilee SEEM ffracctoggrapphs of higgh sstreengtth aalumminuum aallooy结论在高强铝铝合金中中加入锰锰元

20、素后后在固溶溶过程中中能有效效抑制晶晶粒长大大，达到到提高固固溶温度度，让第第二相粒粒子充分分回溶的的目的。加入锰元元素后，经过适适当的固固溶和时时效处理理，合金金的拉伸伸性能得得到很大大提高，但塑性性有所下下降。在铝合金金中添加加锰元素素能减小小韧窝尺尺寸，降降低断口口中沿晶晶断裂所所占比例例，从而而改善高高强铝合合金的断断口组织织形态，使之有有利于提提高铝合合金的韧韧性。但但如果晶晶界上粗粗大含锰锰相过多多，将会会促使沿沿晶断裂裂增加。参考文献献Imammuraa T. J Jpnn Liightt Meet, 19999; 49:3022(今村村次男.轻金属属, 119999; 449:

21、3302).Lukaasakk D A, Harrt RR.M. Addv MMateer PProccessses, 19991;10:46K.C. Kiim, S.WW. NNam. Efffecct oof MMn-ddispperssoidds oon tthe fattiguue mmechhaniism in an Al-Zn-Mg allloy. Maaterrialls SScieencee annd EEngiineeerinng AA2244（19998）2577-2662.D.S.Parrk， S.WW.Naam. Efffectts oof mmangganeese dissperrsoiid oon tthe mecchannicaal