zr对al-cu-mg-ag合金组织性能的影响

zr对al-cu-mg-ag合金组织性能的影响

al-cu-mg-ag系列材料具有优异的强度和良好的弯曲性，适合铸造和焊接。因此，它具有成为下一代航空材料的潜力。在Al-Cu-Mg-Ag合金中加入适量的Zr,经适当的热处理之后,可以使合金中产生大量细小弥散的Al3Zr粒子,抑制合金在热加工时产生再结晶,改善合金的热塑性。在工业生产条件下,合金凝固时的冷却速率为0.1～100℃/s,凝固后的铸态组织通常偏离平衡状态。经传统熔炼铸造方法制备的Al-Cu-Mg-Ag系列合金铸锭由于结晶间隔宽,容易出现枝晶偏析等缺陷。因此必须通过均匀化热处理来消除或降低晶内化学成分和组织的不均匀性,消除或减少铸锭在冷却时产生的内应力,改善铸锭的热加工性能。国内外工作者对于Al-Cu-Mg-Ag系列合金的时效过程及析出相等微观组织进行了大量的研究,但Al-Cu-Mg-Ag系列合金的均匀化制度和热加工工艺较少见诸报道。李云涛等分别研究了含稀土元素铒和铈的Al-Cu-Mg-Ag系列合金的均匀化工艺,但是对于Zr元素在该系列合金中的存在机理以及均匀化过程中的演变并没有着重分析。贺永东等虽然在研究了7A55铝合金均匀化工艺时分析了Zr元素在其中的作用和存在形式,但其研究范围仅局限于7×××系铝合金。而关于Zr在Al-Cu-Mg-Ag系列合金中的存在形式及分布也较少被研究。二级甚至多级均匀化工艺是一种区别于常规一级均匀化处理的工艺。文献分别研究了不同铝合金的均匀化工艺及其对合金组织和性能的影响。虽然被研究的合金铸态中也有不止一种非平衡相,但其采用的均为一级均匀化工艺。本文以一种Al-Cu-Mg-Ag合金为例,着重研究了Zr元素在该合金均匀化过程中的存在形式及其作用,确定了较优的均匀化工艺。1材料和性能分析实验金属以工业纯Al(99.97wt%),纯Mg(99.9wt%),纯Ag(99.9wt%)和Al-49.30Cu(wt%),Al-10Mn(wt%)和Al-4.0Zr(wt%)中间合金为原料,在石墨坩埚中融化和精炼,用成分为47%KCl+30%NaCl+23%Na3AlF6的熔剂覆盖保护,经除气和扒渣之后铁模浇铸。合金的化学成分见表1。取合金铸锭若干,分别用不同的温度或时间在热风循环退火炉中进行均匀化退火,各均匀化退火制度列于表2,退火试样在空气中冷却。DSC分析在NETZSCH449CDSC-TG综合热分析仪上进行,升温速度为10K/min,升温区间为20～700℃。用Polyvar-MET大型立式金相光学显微镜(OM)和Sirion200场发射扫描电镜(SEM)观察合金的微观组织,用Gensis60能谱分析仪(EDS)分析铸态合金中晶界上未溶相的成分,采用线扫描分析晶界及晶内化学成分的变化,加速电压为15kV。2结果与讨论2.1cu及其类目的晶界分布图1为添加微量Mn、Zr的Al-Cu-Mg-Ag合金的微观组织以及主要合金元素Cu,Mg,Ag的面扫描分布图。由图1(a)看出,Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织中枝晶偏析明显,枝晶网胞间和晶界上分布着白色未溶物,可能是非平衡的共晶相或金属间化合物。图1(c)～(f)分布为Cu,Mg,Ag和Zr元素的面扫描成分分布。对比各图可知,Cu元素在晶界上的偏聚最为明显,而Mg,Ag和Zr元素则在基体内分布较为均匀。可见,对于Al-Cu-Mg-Ag合金而言,均匀化处理最重要的是要消除Cu元素在晶界上的偏析和富集。刘晓涛等采用电子探针面扫描分析了Al-8.8Zn-2.8Mg-2.5Cu(wt%)铸态合金晶界上各元素的富集情况,结果表明:同一枝晶内Zn,Mg和Cu元素分布不均匀,其不均匀程度顺序为Cu>Zn>Mg,靠近枝晶边界Cu高达13.8%,其偏聚比(SR)分别为19.2、2.6和1.85。可见在有Cu和Mg作为合金元素的Al合金中,Cu元素的偏聚程度远大于Mg元素。由此可见,在Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织中,晶界上较亮的物质有可能是某种含Cu元素的非平衡共晶相(下文将详细讨论)。2.2低折射相的确定2.2.1cu元素和b峰起始温度图2是Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织的DSC曲线,该曲线出现了2个吸热峰,分别记为A和B。A峰起始温度为523.52℃,峰值点温度为531.80℃,对应于一低熔点的非平衡相的溶解。由于该合金铸态组织晶界上富集着较多的Cu元素,有理由认为其对应于某种含Cu的金属间化合物。B峰起始温度为621.50℃,峰值点温度为640.30℃,对应于该合金的熔点。由该合金的铸态DSC曲线分析可知,由于除熔点外出现了另外的吸热峰,因此有必要制定两级甚至多级均匀化工艺以消除其对应的未溶相。2.2.2al-ag二元相图和al2cu图3是铸态合金的能谱分析结果。选取晶界上某处白色未溶物进行能谱分析(图1(b)中箭头处),发现该处Al,Cu,Mg和Ag元素的原子比为68.86∶29.77∶0.99∶0.38。由Al-Mg和Al-Ag二元相图可知,只有当Mg和Ag元素含量分别达到38.7%和78%时,才有可能与Al形成某种形式的化合物,所以可以认为该处的非平衡相成分中不含Mg和Ag。Cu在室温下在Al中的极限固溶度为5.63%,该合金中Cu含量为6.62%,超出了Cu在Al中的极限固溶度,由Al-Cu二元合金相图可知该合金体系中极有可能出现金属间化合物Al2Cu。能谱分析中,Al原子和Cu原子之比接近2∶1,作者认为该处的非平衡相成分为Al2Cu。由于铸态合金晶界上Cu原子大量富集,可以认为晶界上的未溶物大部分为Al2Cu,对应于图2可以得知Al2Cu的熔点约为523.52℃。因此,有必要进行一级均匀化以消除此非平衡相。2.3其他均匀化过程现行的Al-Cu-Mg-(Ag)合金在均匀化处理制度并没有使合金中的Zr元素最大程度上弥散分布以达到提高再结晶温度,抑制再结晶过程的目的。为了达到更好的均匀化效果,本文设计了多级均匀化制度。第一级均匀化的目的在于使Zr元素在基体中二次析出,达到最大程度的弥散分布。李云涛等在研究含Er的Al-Cu-Mg-Ag合金的均匀化制度时认为,铸态合金在经420℃均匀化保温6h后,再提高温度进行后续均匀化,最终可以获得良好的均匀化效果。贺永东等经实验发现,7A55铝合金经450℃均匀化保温24h后,合金中析出了大量尺寸为10～20nm的Al3Zr粒子。结合DSC分析,本文作者将第一级均匀化制度定为420℃均匀化6h。第二级均匀化以传统的方式完成后续均匀化过程,其目的在于消除枝晶偏析,消除低熔点金属间化合物(主要是Al2Cu)。但是为了防止过烧,有时需要第三级均匀化工艺。这种多级均匀化的前提是必须保证第一级均匀化后析出的弥散细小的Al3Zr等粒子得以保留,在后续的各级均匀化过程中不发生大规模粗化。而Al3Zr粒子即使在高温下粗化速率也比较慢,因此可以实施多级均匀化工艺。均匀化退火实质上是原子的扩散运动,其主要参数为均匀化温度和时间。均匀化温度受晶界及晶内非平衡相的成分和熔点限制,但在不产生过烧的情况下,可以在非平衡固相线温度以上进行高温均匀化退火。均匀化时间则取决于非平衡相溶解及晶内偏析消除所需的时间。基于上述分析,该合金的第二级均匀化温度可以选取510～520℃之间。传统一级均匀化退火的温度为0.9～0.95Tm,由Al-Cu二元相图中固相线的温度可以确定传统均匀化温度在485～500℃之间。为了对比本文设计的均匀化制度的优越性,选取490℃均匀化24h作为参考制度。各均匀化制度和参比态列于表2。2.4试样晶界及组织分析图4是表2所列之处理状态对应的光学显微组织。图4(a)所示是铸态合金(C1)的显微组织,可以看出其和图1(a)的形貌一致,均为明显的枝晶组织。图4(b)～(f)是经过均匀化处理后的试样的微观组织,分别对应于H1,H2,H3,H4和C2状态。可以看出,H1态的试样晶界上的未溶物(主要是Al2Cu)还明显存在,说明均匀化过程还不充分。H2态的试样晶界处的未溶物相对于H1态有所减少,说明均匀化温度的提高有利于晶界上偏聚元素的扩散和未溶相的消除。H3态的试样晶界上的未溶物大大减少,晶粒较为细小,晶界光滑均匀,枝晶偏析基本消除,可见此均匀化制度良好。H4态的试样晶界交叉处出现些许复熔球,晶界宽化,有圆弧化趋势,为局部轻微过烧组织。C2态的试样是按照常规的一级均匀化工艺处理后的微观组织,此时基体内的树枝状晶还有部分存在,与铸态相比,枝晶仅仅开始出现不连续,说明均匀化过程远未完成。图5是H3态试样的低倍SEM显微组织和各主要合金元素的面扫描分析图。SEM微观组织中,试样晶界上的Al2Cu等非平衡相大部分回溶至基体内,晶内晶界成分均匀。对比图1中铸态组织的面扫描分析,主要偏聚元素Cu元素的成分变得比较均匀,而Ag,Mg等原本偏析不严重的元素均匀化后分布更加均匀。值得注意的是,在第一级均匀化过程中析出的Zr元素在二级均匀化之后仍然弥散分布,可见平衡态Al3Zr相在均匀化过程中对基体组织的改善一直起着重要作用。图6是H3态试样经SEM线扫描后得到的某一晶粒中的元素分布图,线扫描沿图5中直线进行,从H3试样中残存的较为明显的枝晶壁开始,贯穿晶内,直到另一边枝晶壁为止。Cu,Mg,Ag和Zr元素的统计数频(ROIcounts)分别为24.50,13.63,7.37和3.33。可以看出,Cu元素在两端晶界处的计数率分别为36和35,略高于晶内,说明其在晶界处仍有少量偏析。这是由于本合金中Cu含量为6.62%,高于实验温度下其在Al中的极限溶解度,因此均匀化过程几乎不可能完全消除Cu元素在晶界上的偏聚。Mg,Ag和Zr元素分布在晶界晶内虽然有所波动,但基本比较均匀,这也与上述面扫描的结果一致。可见,在铸态合金中,Cu,Mg,Ag和Zr等合金元素在晶界处偏聚,其中以Cu的偏聚程度最大。经过第一级均匀化后,Zr元素以Al3Zr的形式在基体中二次弥散析出;经二级或三级均匀化后,随着均匀化温度的升高,晶界上的Al2Cu等非平衡相逐渐溶解消除,晶界变得细小,晶内成分均匀。在现有条件下,420℃×6h+515℃×24h均匀化处理是较优的手段,而该系列合金的过烧温度约为520℃。3u2004范围及固溶时效处理1)铸态Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金中枝晶偏析明显,晶界上Cu元素富集严重,存在着非平衡态的Al2Cu相。该合金需要进行均匀化退火处理来消除成分偏析对后