陳 勇, 侯遠(yuǎn)飛, 徐崢崢, 彭英浩,劉崇宇, 鐘 皓

(1.廣東宏錦新材料科技有限公司，東莞 523808；2.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004)

0 引 言

鋁合金因具有低密度、高強(qiáng)韌性等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，但其阻尼性能較差，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)材料高可靠性、高精度、長(zhǎng)壽命等的服役要求[4]。在不影響鋁合金力學(xué)性能的前提下，大幅提高其阻尼性能，有利于擴(kuò)大其在航空、航天及軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用。

Zn-Al合金是高溫阻尼性能最佳的金屬材料之一，高密度的Al/Zn界面在高溫振動(dòng)過程中可以促進(jìn)界面滑移，進(jìn)而顯著優(yōu)化合金的界面阻尼[5]。作者前期研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)高鋅含量的Al-Zn二元合金進(jìn)行軋制變形，使其晶粒大幅細(xì)化，同樣可獲得高密度Al/Zn界面；軋制態(tài)Al-Zn合金的高溫能量?jī)?nèi)耗值遠(yuǎn)高于其他商用鋁合金的，接近Zn-Al合金、純鎂等傳統(tǒng)高阻尼金屬材料的[6]；同時(shí)，軋制態(tài)Al-Zn合金還具有高強(qiáng)度、高塑性等優(yōu)異的力學(xué)性能[7]。較低的再結(jié)晶溫度會(huì)促使變形態(tài)Al-Zn合金在經(jīng)歷高溫阻尼測(cè)試后發(fā)生再結(jié)晶，獲得細(xì)小等軸晶粒。但是在晶界表面能的驅(qū)動(dòng)下，再結(jié)晶產(chǎn)生的細(xì)小等軸晶會(huì)相互合并、長(zhǎng)大，這不但會(huì)弱化細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致合金阻尼性能的惡化[8]。

向鋁合金中添加鈧(Sc)元素可以形成Al3Sc或Al3(Sc,Zr)納米析出相，該析出相在塑性變形或熱處理過程中會(huì)對(duì)鋁合金晶界產(chǎn)生強(qiáng)烈的釘扎作用，進(jìn)而有效地抑制再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大[9-12]。因此，在Al-Zn合金中添加鈧，有望優(yōu)化其在阻尼測(cè)試過程中的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，進(jìn)而提高阻尼性能穩(wěn)定性。作者在Al-20Zn合金中添加鈧元素，研究了鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)、軋制態(tài)Al-20Zn合金及Al-20Zn-0.5Sc合金的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及阻尼性能，以期獲得力學(xué)性能優(yōu)異、耗能高、穩(wěn)定性較好的高阻尼新型鋁合金。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

采用井式爐熔鑄Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金。在爐內(nèi)放入320 g純鋁或220 g純鋁和100 g Al-2Sc合金，在800 ℃保溫0.5 h后放入80 g鋅粒，用碳棒攪拌均勻，保溫0.5 h，注入預(yù)熱至200 ℃的石墨鑄型。在澆鑄前需去除金屬液表面的殘?jiān)?、氧化皮等雜質(zhì)，鑄錠尺寸均為150 mm×35 mm×12 mm。

將鑄錠在500 ℃保溫3 h進(jìn)行均勻化熱處理，水冷。對(duì)均勻化熱處理的鑄錠進(jìn)行56道次熱軋，使厚度為6 mm，單道次壓下量在1.01.2 mm，道次間回爐保溫3 min。熱軋完成后，在室溫條件下進(jìn)行10道次冷軋，厚度至3 mm，單道次壓下量在0.250.30 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

利用線切割在鑄錠及板材中心部位取尺寸為5 mm×10 mmX3 mm的試樣，依次使用600#3000#的砂紙研磨并拋光，用凱勒試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)進(jìn)行腐蝕，采用Leica-DMi8型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀結(jié)構(gòu)。采用Instron-8801型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為5×10-2s-1，測(cè)試3個(gè)平行試樣，試樣形狀及尺寸見圖1。采用Netzsch-242E型動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試阻尼性能，測(cè)試振幅為10 μm(對(duì)應(yīng)1×10-4的應(yīng)變量)、振動(dòng)頻率為1 Hz、溫度區(qū)間為20360 ℃。

圖1 拉伸試樣的形狀及尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知,鑄態(tài)Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒均為樹枝狀，后者添加了鈧元素，枝晶間距明顯細(xì)化。這是因?yàn)殁偱c鋁形成的初生Al3Sc相可以有效促進(jìn)合金凝固過程中的非均勻形核，進(jìn)而細(xì)化鑄態(tài)組織[13]。

圖2 鑄態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖3可知，均勻化熱處理后，Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金中的枝晶消失，組織發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶：Al-20Zn合金晶粒明顯粗化，尺寸達(dá)300 μm左右，而Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒尺寸遠(yuǎn)低于前者的。這說明鈧能夠有效抑制均勻化處理過程中Al-20Zn合金的晶粒粗化。

圖3 均勻化處理態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖4可知：軋制變形后，Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒明顯拉長(zhǎng)，后者的晶粒尺寸明顯低于前者的；兩合金內(nèi)均存在與軋制方向呈45°角的剪切帶，這是由冷變形所致。

圖4 軋制態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖5可知：軋制態(tài)Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金內(nèi)均出現(xiàn)了高密度位錯(cuò)，Al-20Zn-0.5Sc合金的晶界處存在尺寸約100 nm的Al3Sc析出相。Al3Sc析出相能在合金均勻化熱處理及軋制變形過程中起到抑制晶界遷移的作用，因此均勻化熱處理態(tài)及軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒更加細(xì)小。另外，兩合金軋制變形后晶界處存在微米級(jí)鋅相，晶內(nèi)存在納米級(jí)鋅相。這是因?yàn)殇X晶格中的鋅原子在變形過程中表現(xiàn)出較高的不穩(wěn)定性[7]，隨著變形量的增加，固溶體分解增強(qiáng)，鋅原子不斷析出，即從鋁晶格中擠出[14-16]，并聚集長(zhǎng)大。

圖5 軋制態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的TEM形貌

2.2 軋制態(tài)合金的拉伸性能

由圖6可知：軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均高于軋制態(tài)Al-20Zn合金的。細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)使Al-20Zn-0.5Sc合金表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。同時(shí)，細(xì)小晶粒有利于協(xié)調(diào)拉伸過程中的塑性變形，消除局部應(yīng)力，因此，具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金還表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性。

圖6 軋制態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 軋制態(tài)合金的阻尼性能

由圖7可知：第一次阻尼測(cè)試時(shí)，軋制態(tài)Al-20Zn合金在250 ℃左右出現(xiàn)高阻尼峰，第二次阻尼測(cè)試時(shí)，該阻尼峰高大幅降低，兩次阻尼測(cè)試的高溫(360 ℃左右)內(nèi)耗幾乎相同，均為0.05；第一次阻尼測(cè)試時(shí)，軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金在240 ℃左右出現(xiàn)一不明顯阻尼峰，隨溫度繼續(xù)升高，其內(nèi)耗幾乎保持不變，在高溫振動(dòng)條件下仍保持較高水平(0.14左右)，第二次阻尼測(cè)試時(shí)，高溫內(nèi)耗同樣可達(dá)到0.14?？梢?，相比于Al-20Zn合金，Al-20Zn-0.5Sc合金具有更好、更穩(wěn)定的高溫阻尼性能。

圖7 軋制態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的內(nèi)耗與溫度的關(guān)系曲線

由圖8可知：第一次阻尼測(cè)試后，軋制態(tài)Al-20Zn合金發(fā)生完全再結(jié)晶，晶粒形態(tài)由纖維狀變?yōu)榈容S狀，且明顯發(fā)生粗化，平均晶粒尺寸達(dá)150 μm左右；而軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金發(fā)生了不完全再結(jié)晶，組織為纖維狀晶粒與細(xì)小等軸狀晶粒的混晶結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖9可以看出，其位錯(cuò)密度較阻尼測(cè)試前的明顯降低，且晶界處存在Al3Sc納米析出相和鋅相發(fā)生粗化。

圖8 軋制態(tài)Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金第一次阻尼測(cè)試后的顯微組織

圖9 軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金第一次阻尼測(cè)試后的TEM形貌

在第一次阻尼測(cè)試過程中，當(dāng)振動(dòng)溫度升至250 ℃左右時(shí)，軋制態(tài)Al-20Zn合金發(fā)生再結(jié)晶，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大造成晶界遷移。晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和晶界遷移使得合金內(nèi)耗增加，高阻尼峰出現(xiàn);而粗大的晶粒導(dǎo)致合金在高溫(360 ℃左右)振動(dòng)過程中難以進(jìn)行晶界滑移，因此高溫內(nèi)耗低[6]。由于第一次阻尼測(cè)試后軋制態(tài)Al-20Zn合金的纖維態(tài)晶粒已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶等軸晶，并且第二次阻尼測(cè)試時(shí)再結(jié)晶晶粒很難再次發(fā)生粗化，進(jìn)而無法將能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而消耗，故阻尼峰高大幅降低，表現(xiàn)為高溫低內(nèi)耗。

軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金在第一次阻尼測(cè)試過程中出現(xiàn)了較弱的阻尼峰，這是因?yàn)锳l3Sc納米析出相的釘扎作用抑制了再結(jié)晶過程的進(jìn)行，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)與晶界遷移效應(yīng)??；其經(jīng)歷過一次阻尼測(cè)試后依然能夠保持較高的高溫阻尼性能，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫阻尼穩(wěn)定性。這是因?yàn)檐堉茟B(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金組織由纖維狀和細(xì)小等軸狀晶粒組成，晶粒越細(xì)，在高溫變形過程中越容易發(fā)生晶界滑移[6-7,17]，從而在保證優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)維持穩(wěn)定的高溫阻尼性能。

3 結(jié) 論

(1) 鑄態(tài)、均勻化處理態(tài)、軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒尺寸均低于相同狀態(tài)下Al-20Zn合金的；與軋制態(tài)Al-20Zn合金相比，軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金具有更高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率；軋制態(tài)Al-20Zn-0.5Sc合金兩次阻尼測(cè)試的高溫內(nèi)耗(0.14)均高于軋制態(tài)Al-20Zn合金的(0.05)。

(2) 添加鈧元素后，Al-20Zn合金晶界處析出了尺寸在100 nm左右的Al3Sc相，其能夠有效地釘扎位錯(cuò)，抑制晶界遷移和再結(jié)晶過程的進(jìn)行，進(jìn)而細(xì)化合金組織，使合金表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能和高溫阻尼性能。