佟有志,路麗英,叢福官,王海彬,韓 嘯,付金來(lái)

(東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

含Sc鋁合金具有高的強(qiáng)度和韌性、優(yōu)異的可焊性和耐蝕性[1-3],備受航天航空和船艦等國(guó)防軍工尖端領(lǐng)域新型號(hào)裝備設(shè)計(jì)人員的青睞。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究,在鋁合金復(fù)合添加適量的Sc、Zr元素不但能明顯細(xì)化鑄態(tài)晶粒,而且適量的Sc、Zr元素能夠在鋁合金中形成過(guò)飽和固溶體,在后續(xù)的熱加工及熱處理過(guò)程中能夠形成彌散析出的強(qiáng)化粒子,對(duì)鋁合金起到強(qiáng)烈的改性作用[4-6]。研究表明[6-8],在鋁合金組織中通過(guò)控制Al3(Sc,Zr)初生相的形貌和尺寸,能夠使其成為鋁合金熔體凝固過(guò)程中異質(zhì)形核的核心,對(duì)鑄態(tài)組織和加工性能產(chǎn)生明顯的影響[9-11]。同時(shí),通過(guò)調(diào)控Sc、Zr元素的復(fù)合添加量也會(huì)對(duì)Sc和Zr元素在α(Al)基體中的固溶程度產(chǎn)生影響,可進(jìn)一步調(diào)節(jié)后續(xù)熱加工及熱處理過(guò)程中彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子的形態(tài)、數(shù)量等,最終起到提高合金強(qiáng)度、耐腐蝕性等綜合性能的作用[12-14]。

鋁合金熔鑄過(guò)程中,熔鑄溫度及熔體在冷凝過(guò)程中的冷卻速率均會(huì)對(duì)合金組織中的相形貌產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)以不同Sc元素與不同Zr元素復(fù)合添加量的Al-6Mg-0.6Mn合金作為試驗(yàn)合金,研究Sc、Zr復(fù)合添加量對(duì) Al-6Mg-0.6Mn合金鑄態(tài)組織及板材性能的影響,重點(diǎn)闡明試驗(yàn)合金在制備過(guò)程中的熔鑄溫度、冷卻速率對(duì)含Sc、Zr的Al-6Mg-0.6Mn合金組織中含Sc初生相的影響,為工業(yè)化合金成分設(shè)計(jì)及工業(yè)化制備提供數(shù)據(jù)支持。

1 試 驗(yàn)

研究設(shè)計(jì)了不同Sc、Zr復(fù)合添加量的試驗(yàn)合金,名義成分配制如表1所示。

表1 試驗(yàn)用 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

所用原料為高純鋁(99.99%)、工業(yè)純鎂(99.9%)、Al-Zr中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Sc中間合金。首先將高純鋁、Al-Mn中間合金放入石墨坩堝,在電阻坩堝爐中熔煉,待高純鋁、Al-Mn中間合金熔化后,繼續(xù)升高熔體溫度,加入Al-Zr中間合金和Al-Sc中間合金,充分保溫并攪拌后,將熔煉溫度降至740 ℃,加入工業(yè)純鎂,除去表面浮渣后,靜置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,分別進(jìn)行了不同Sc、Zr添加量的試驗(yàn)合金的澆鑄,澆鑄溫度為720 ℃,模具溫度為220 ℃,合金中添加元素實(shí)際含量見(jiàn)表2。澆鑄的試樣尺寸均為40 mm×60 mm×170 mm,鑄錠經(jīng)過(guò)銑面后,進(jìn)行均勻化退火,然后軋制成6 mm厚板材。

表2 試驗(yàn)合金添加元素含量

金相樣品經(jīng)金相砂紙機(jī)械拋光后,進(jìn)行電解拋光和陽(yáng)極覆膜,在POLYVER-MET光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光組織觀察。電解拋光液成分(體積分?jǐn)?shù))為10%HClO3+90%無(wú)水乙醇,拋光時(shí)電壓設(shè)置為28 V,拋光時(shí)為30 s;采用的覆膜液成分(體積分?jǐn)?shù))為38%H2SO4+43%H2PO3+19%H2O,電壓采用20 V,覆膜時(shí)間為2 min。

2 結(jié)果與討論

圖1為試驗(yàn)合金的低倍組織照片。圖2為試驗(yàn)合金鑄態(tài)偏光組織照片。

圖1 試驗(yàn)合金的鑄態(tài)低倍組織照片

圖2 試驗(yàn)合金的鑄態(tài)偏光組織照片

由圖1和圖2可見(jiàn),隨著Sc含量的添加鑄態(tài)晶粒逐漸細(xì)化,1#合金鑄態(tài)組織晶粒最粗大,其高倍組織中可以看到清晰的枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2#合金的鑄態(tài)組織為均勻的等軸晶,枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完全消失。1#、2#、3#、4#試樣的平均晶粒尺寸分別為200 μm、53 μm、56 μm和60 μm。當(dāng)Zr含量相同時(shí),w(Sc)為0.15%和0.20%的鑄態(tài)組織晶粒尺寸相差不大。而當(dāng)Zr含量略有降低,w(Sc)為0.23%時(shí),晶粒尺寸有輕微粗化。

復(fù)合添加Sc元素與Zr元素能夠顯著細(xì)化Al-6Mg-0.5Mn合金的組織,這主要是由于Sc元素和Zr元素在鋁合金中發(fā)生反應(yīng),從熔體中析出Al3(Sc,Zr)化合物質(zhì)點(diǎn),Al3(Sc,Zr)化合物尺寸小、密度大、分布均勻,與基體共格,具有AuCu3型立方結(jié)構(gòu),與鋁基體的晶格錯(cuò)配度很小。在正常凝固時(shí),這種質(zhì)點(diǎn)尺寸為1～15 nm,是α-Al結(jié)晶時(shí)的理想形核核心,可以起到異質(zhì)形核的作用[15]。

圖3為不同Sc、Zr復(fù)合添加量的試驗(yàn)合金鑄態(tài)金相組織。

圖3 試驗(yàn)合金的鑄態(tài)金相組織照片

從圖3可以看到,1#、2#、3#和4#合金均存在大量灰白色條塊狀相,在4#合金中還觀察到了較為聚集的近似正方形、矩形、三角形等按共邊、共頂點(diǎn)等組合形式聚集的深色第二相,從形貌特征上推斷為含Sc相。

為進(jìn)一步確定上述金相組織中觀察到的第二相的種類,選擇1#和4#合金組織中典型形貌的第二相進(jìn)行了能譜分析,見(jiàn)圖4所示。

圖4 典型第二相的能譜分析

由圖4可以看到:在本次試驗(yàn)條件下,當(dāng)w(Sc)=0.12%,w(Sc+Zr)=0.20%時(shí)(1#合金),合金中沒(méi)有觀察到含Sc相;當(dāng)w(Sc)增加到0.23%,w(Sc+Zr)=0.31%時(shí)(4#合金),合金中出現(xiàn)了尺寸20 μm左右且聚集存在的含Sc相,能譜分析結(jié)果顯示其為Al3(Sc,Zr)相。

金屬凝固理論指出,在金屬熔體凝固過(guò)程中能夠作為異質(zhì)形核核心的質(zhì)點(diǎn)一般具備以下三個(gè)特點(diǎn):與基體具有界面共格性,在熔體內(nèi)均勻分布熔點(diǎn)高,在熔體中優(yōu)先析出。

在本研究中,Sc元素與鋁熔體形成的初生含Sc化合物正好滿足了這三個(gè)條件,該含Sc化合物質(zhì)點(diǎn)為AuCu3型立方結(jié)構(gòu),點(diǎn)陣常數(shù)a=0.410 nm,其晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)均與鋁基體極為相近,因此在合金凝固時(shí),這種質(zhì)點(diǎn)是α-Al結(jié)晶時(shí)的理想晶核,可以起到異質(zhì)形核的作用。在Al-Mg-Mn合金中復(fù)合添加Sc和Zr時(shí),Zr替代Al3Sc中的部分Sc形成Al3(Sc,Zr)三元化合物,這種化合物與Al3Sc有相同的晶體結(jié)構(gòu),而且更穩(wěn)定。合金凝固過(guò)程中,只有從熔體中析出一定數(shù)量的、彌散細(xì)小的初生Al3(Sc,Zr)相才能作為結(jié)晶時(shí)的理想晶核,因此復(fù)合添加Sc和Zr的 2#、3#和4#合金與1#合金相比,其鑄態(tài)晶粒得到了明顯的細(xì)化,而1#合金的鑄態(tài)組織仍存在較明顯的枝晶網(wǎng),見(jiàn)圖2。但比較2#、3#和4#合金的鑄態(tài)組織可以看到,并非是Sc、Zr含量越高對(duì)鑄態(tài)晶粒的細(xì)化作用越好,因?yàn)樵谝欢ǖ哪趟俣葪l件下,過(guò)剩的Sc、Zr元素會(huì)以大尺寸的初生相形式從基體里析出,這種微米級(jí)的Al3(Sc,Zr)初生相已經(jīng)起不到晶粒細(xì)化的作用,反而由于這種大尺寸的Al3(Sc,Zr)初生相的存在,對(duì)合金的綜合性能起到不良影響。這是因?yàn)?鑄態(tài)組織中這種微米級(jí)的Al3(Sc,Zr)初生相一旦存在,在后續(xù)生產(chǎn)工序中無(wú)法消除或弱化,將惡化組織的均勻性和連續(xù)性;另外,該粗大Al3(Sc,Zr)初生相的生成必然會(huì)降低合金中Sc、Zr細(xì)化鑄態(tài)組織的作用。這一現(xiàn)象在4#合金中得以驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

1)在試驗(yàn)合金中添加w(Sc)=0.15%和w(Zr)=0.11%即可消除鑄態(tài)枝晶網(wǎng),強(qiáng)烈細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織。

2)Al-6Mg-0.6Mn合金凝固時(shí)熔體中析出的微米級(jí)Al3(Sc,Zr)初生相,不但不能作為合金凝固時(shí)異質(zhì)形核核心細(xì)化鑄態(tài)晶粒,反而會(huì)惡化合金組織。因此,在設(shè)計(jì)合金成分及生產(chǎn)過(guò)程中,要嚴(yán)格控制微米級(jí)粗大Al3(Sc,Zr)初生相的產(chǎn)生。