左 睿,魏 午,黃 暉,文勝平,韓 穎,劉貞山,石 薇

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部,北京 100124;2.東北輕合金有限責(zé)任公司,哈爾濱 150000;3.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司,北京 102209;4.廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院,廣州 510530)

0 引 言

近年來(lái),Al-Mg合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋船舶和軌道交通等領(lǐng)域。相比2XXX系A(chǔ)l-Cu合金和7XXX系A(chǔ)l-Zn合金,Al-Mg合金具有更為優(yōu)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(qiáng)度鋁合金,因此在不降低其耐腐蝕性能的前提下進(jìn)一步提高其強(qiáng)度是Al-Mg合金當(dāng)前的主要研究方向之一。

傳統(tǒng)Al-Mg合金的強(qiáng)化方式主要包括鎂原子的固溶強(qiáng)化和變形產(chǎn)生的加工硬化[3],尋找新的強(qiáng)化方式是改善Al-Mg合金力學(xué)性能的有效途徑。研究[4-6]發(fā)現(xiàn),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(zhuǎn)變?yōu)門相,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(xué)性能[7-8]。HOU等[9]研究發(fā)現(xiàn),新型Al-5Mg-3Zn合金相比Al-5Mg合金強(qiáng)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(xué)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(xì)化晶粒的作用,但是Al3M粒子隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而粗化,強(qiáng)化效果也隨之減弱。為解決這一問(wèn)題,考慮復(fù)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(jié)構(gòu)亞穩(wěn)相Al3Zr[15-16],與鋁基體共格,起到顯著的固定晶界、位錯(cuò)和細(xì)化晶粒[17-18]的作用。并且鋯元素在鋁基體中的擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較小,一般會(huì)以率先形成的Al3Sc、Al3Er相為形核位點(diǎn),最終獲得Al3(Sc, Zr)、Al3(Er, Zr)等具有核殼結(jié)構(gòu)的納米級(jí)析出相。這種核殼結(jié)構(gòu)能夠防止析出相粗化并降低成本[19]。XUE等[20]研究發(fā)現(xiàn),向Al-Mg-Mn合金中復(fù)合添加鉺和鋯元素,經(jīng)冷軋及270 ℃×4 h的退火處理后,合金屈服強(qiáng)度可達(dá)323 MPa,屬于晶間腐蝕不敏感類別。CHEN等[21]研究發(fā)現(xiàn),鈧、鋯加入后在Al-Zn-Mg合金中形成了Al3(Sc, Zr)相,能夠通過(guò)釘扎位錯(cuò)阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展,從而提高合金的拉伸性能和疲勞性能。目前關(guān)于微合金元素對(duì)新型Al-5Mg-3Zn合金影響的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

為此,作者制備了Al-5Mg-3Zn合金,復(fù)合添加微合金元素鋯和鉺或鋯和鈧,并進(jìn)行熱軋,研究了微合金元素對(duì)試驗(yàn)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(yàn)方法

試驗(yàn)原料為工業(yè)純鋁、純鎂、純鋅(純度均為99.9%)和Al-6Er、Al-10Zr、Al-2Sc(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)中間合金。設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。先將3種成分的鑄錠進(jìn)行280 ℃×10 h + 450 ℃×24 h雙級(jí)均勻化處理;然后采用實(shí)驗(yàn)室所有的二輥四輥冷熱軋機(jī)對(duì)均勻化處理后的鑄錠進(jìn)行熱軋?zhí)幚?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(yàn)合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成分Table 1 Measured chemical composition of three test alloys

制取熱軋前后金相試樣,經(jīng)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(qū)成分;試樣在90%C2H5OH+10%高氯酸(體積分?jǐn)?shù))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(tǒng)計(jì)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。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?jǐn)?shù)),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(nèi)及晶界析出相分布。

根據(jù)GB/T 228-2010,采用MTS810型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸試樣標(biāo)距為40 mm。根據(jù)ASTM G67,采用硝酸失重法測(cè)試腐蝕性能,根據(jù)腐蝕質(zhì)量損失將其腐蝕性能劃分為3個(gè)等級(jí):硝酸腐蝕質(zhì)量損失小于15 mg·cm-2,材料不容易發(fā)生晶間腐蝕,處于不敏感區(qū);腐蝕質(zhì)量損失大于25 mg·cm-2時(shí),材料容易發(fā)生晶間腐蝕,處于敏感區(qū);腐蝕質(zhì)量損失于15～25 mg·cm-2范圍內(nèi),材料處于介敏感區(qū),不能僅通過(guò)腐蝕質(zhì)量損失判定晶間腐蝕敏感性,需結(jié)合腐蝕形貌來(lái)判斷。出現(xiàn)均勻腐蝕或者點(diǎn)蝕特征,表明試樣對(duì)晶間腐蝕不敏感;當(dāng)顯微組織晶界處出現(xiàn)明顯侵蝕,則表明試樣對(duì)晶間腐蝕敏感。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)合金顯微組織

3種鑄態(tài)合金的SEM形貌如圖1所示,對(duì)其進(jìn)行一次相體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)(每種合金至少統(tǒng)計(jì)10張形貌圖),可得:鑄態(tài)Al-5Mg-3Zn合金,鑄態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金,鑄態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的一次相體積分?jǐn)?shù)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(tài)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(guān)。

圖1 3種鑄態(tài)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(tài)Al-5Mg-3Zn合金中只有AlMgZn相,鑄態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金中包括AlMgZn相和Al3(Er, Zr)相,鑄態(tài)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(tài)Al-5Mg-3Zn合金的SEM形貌及EDS面掃描結(jié)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(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金的SEM形貌及EDS面掃描結(jié)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(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的SEM形貌及EDS面掃描結(jié)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(tài)合金EBSD形貌

由圖5可知:熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金中主要為再結(jié)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(fā)生了顯著的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;熱軋態(tài)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(zhǎng),再結(jié)晶晶粒數(shù)量減小,此時(shí)主要以亞晶組織為主,約占整體的76%,再結(jié)晶組織約占20%,表明鋯和鉺元素的添加對(duì)合金熱軋過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有明顯的抑制作用;熱軋態(tài)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(zhǎng),約占整體的78%,有20%的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),僅2%的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。形成的Al3(Sc,Zr)相能夠很好地釘扎位錯(cuò)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(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生。綜上可知,復(fù)合添加鋯和鉺或鋯和鈧元素時(shí),鋯和鈧元素對(duì)Al-5Mg-3Zn合金再結(jié)晶的抑制能力要更強(qiáng),這是因?yàn)殁傁鄬?duì)原子質(zhì)量遠(yuǎn)小于鉺,相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下形成的Al3(Sc,Zr)粒子數(shù)量更多,抑制作用更明顯,與研究[22-23]一致。

圖5 3種熱軋態(tài)合金的EBSD形貌及再結(jié)晶分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)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(tài)合金TEM形貌

由圖6可見(jiàn):熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金晶內(nèi)出現(xiàn)少量尺寸較大的棒狀析出相,應(yīng)為動(dòng)態(tài)析出的T相;熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr、Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶內(nèi)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(cuò);3種試驗(yàn)合金晶界處均無(wú)析出相和沉淀析出帶。

圖6 3種熱軋態(tài)合金晶內(nèi)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(tài)合金拉伸性能

熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn,Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr,Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金的斷后伸長(zhǎng)率分別為18.2%,13.7%,20.75%;熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度分別為334,185 MPa;熱軋態(tài)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(nèi)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(cuò),抑制熱軋過(guò)程中亞晶界的遷移以及合并,提高合金的再結(jié)晶溫度,保留變形組織,提高變形強(qiáng)化作用,鋯、鈧的提升作用尤為明顯。

2.5 熱軋態(tài)合金耐腐蝕性能

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

3 結(jié) 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(dòng)態(tài)再結(jié)晶,且鋯、鈧的抑制作用強(qiáng)于鋯、鉺。熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金晶內(nèi)出現(xiàn)少量尺寸較大的棒狀T相;添加鉺和鋯的熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金,添加鈧和鋯的熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶內(nèi)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(wú)析出相和沉淀析出帶。

(2) 相比熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金,熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提升了9.3%,34.3%,熱軋態(tài)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(tài)試驗(yàn)合金均保持良好的耐腐蝕性,熱軋態(tài)Al-5Mg-3Zn合金的耐腐蝕性能更優(yōu)。