对称成分Zn－Al合金失稳分解组织的稳定性

郑 毅，石晓东，任玉平

(1.中航工业沈阳飞机工业 (集团)有限公司，沈阳 110850;2.中航工业沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043;3.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819)

对称成分Zn－Al合金失稳分解组织的稳定性

郑 毅1，石晓东2，任玉平3

(1.中航工业沈阳飞机工业 (集团)有限公司，沈阳 110850;2.中航工业沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043;3.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819)

利用光学显微镱、扫描电镜和透射电镜对Zn－38%Al(质量分数)二元合金300℃的失稳分解组织进行了研究.结果表明，对称成分Zn－Al二元合金的失稳分解组织呈筏状.且随着保温时间的延长，只发生连续粗化，而不发生不连续粗化，不同于Cu－Ni－Fe合金的失稳分解组织特征及演变过程.连续粗化组织中的fcc富Zn相尺寸与时间的1/2次方成正比，意味着粗化过程是由体扩散控制.

Zn－Al合金;失稳分解;连续粗化;体扩散

获得细晶、超细晶组织，尤其是纳米晶组织已经成为材料科学追求的一个重要目标，而失稳分解作为制取纳米晶组织的一种固态相变法而受到广泛关注［1］.作为一个典型的具有失稳分解特征的体系，Cu－Ni－Fe三元合金失稳分解组织特征及其稳定性得到了系统的研究［2～6］.但是，Cu－Ni－Fe合金失稳分解组织在保温过程中很快就发生了不连续粗化，使获得的纳米晶组织特征消失.而发生失稳分解的一个重要前提是在该体系相图中存在溶解度间隙.在Zn－Al二元相图中［7］，在277～350℃存在一个稳定的溶解度间隙，这意味着Zn－Al二元合金有可能通过失稳分解而获得纳米晶组织.但是，如果其中一相的体积分数较小，则该相就会以离散的粒状形态析出，而以另一相为基体;虽然通过控制合金发生失稳分解的温度与时间，有可能控制析出相的尺寸，但基体仍为原固溶体的尺寸.如果失稳分解形成的两相组织体积分数相等，那么两相组织就会彼此相隔、尺寸相同，这样的两相组织就都有可能控制在纳米量级.根据Zn－Al二元相图可知［7］，Zn－38%Al (质量分数)合金在温度高于351.5℃时可形成单相固溶体，在适当的温度能通过失稳分解形成两相体积分数大致相等的组织，故称之为对称合金.这种彼此相隔的两相组织有可能控制在纳米量级.郝士明研究组对该成分合金在277℃以下的组织演变进行了系统的研究［8～11］，但对其在277℃以上发生失稳分解的组织特征并没有关注［12］.同时，任何一种超细组织都存在一个组织稳定性的问题.因此，本文对Zn－38%Al(质量分数)合金经400℃固溶处理后，在300℃保温不同时间的组织进行了研究，以获得Zn－Al系合金失稳分解的组织特征及其稳定性，从而为该合金系利用固态相变制备纳米组织提供有价值的信息.

1 实验方法

本实验合金的原料为高纯铝(99.999%)和高纯锌(99.999%).用3kW电阻加热炉在高纯刚玉坩埚中熔化后，浇注在铁模中.铸锭经过成分均匀化与开坯处理，最终热轧成4.25 mm的板状试样.试样在400℃固溶处理2h后立刻放到300℃的盐浴炉中分别保温10 min、300、500、800、1 000、1 350和1 800 h，然后水淬.采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对所获得的试样进行组织观察.

金相试样的制备步骤为:从 200#粒度到1 000#粒度的水磨砂纸进行机械研磨，随后以分析纯MgO悬浊液为抛光剂进行机械抛光，经抛光后的试样还需在麂皮上以粒度更细的MgO精抛，然后腐蚀.腐蚀剂为混合酸(2 mL HF+3 mL HCl +5 mL HNO3+250 mL H2O).显微组织观察采用Versamet－2光学显微镜和 Philips XL－30 FEG扫描电子显微镜(SEM).

薄膜试样的制备方法如下:首先从块状试样上用线切割机切出厚度为0.35 mm的薄片;然后在200#～1 000#的砂纸上磨薄到0.05 mm，并用小冲床冲出直径为3 mm的圆片;最后采用电解双喷减薄.电解液为20%的高氯酸和80%的甲醇混合液，此操作在－35℃和电压20V下进行.显微组织观察采用Philips EM 400T透射电子显微镜(TEM).

2 结果与讨论

Zn－38%Al对称成分二元合金在400℃固溶处理2 h后，在300℃保温处理10 min的透射电子显微形貌，如图1所示.与Cu－Fe－Ni系合金的编织状组织不同［2］，Zn－38%Al合金的失稳分解组织呈筏状，尺寸约为80 nm.这是由Zn－Al合金弹性模量各向同性导致的，没有成分调幅择优取向.对称成分合金失稳分解后的两相组织体积分数基本相等，所以互为基体相.

图1 Zn－38%Al合金在300℃保温10 min时的失稳分解组织(TEM)Fig.1 Spinodal microstructure of Zn－38%Al alloy at 300℃ for 10 min

Zn－38%Al对称成分二元合金试样在300℃分别保温处理 300、500、800、1 000、1 350和1 800 h，利用金相显微镜进行组织观察，如图2所示.随着保温时间的延长，失稳分解组织发生了连续粗化.当保温时间为300 h时，粗化后失稳分解组织保留原始失稳分解组织的筏状形貌，平均尺寸约为1.5 μm;保温时间为800 h时，筏状组织继续长大，同时开始球化，在局部形成了粒状组织，平均尺寸约为2 μm;到1 800 h时，粒状组织聚集长大，转变为相对粗大的粒状组织，平均尺寸约为3.5 μm.这表明在1 800 h内对称成分Zn－38%Al二元合金的失稳分解组织的粗化过程是一个连续粗化过程，并没有发生不连续粗化，但粗化组织是不均匀的.

随后对粗大的失稳分解组织进行了扫描电镜组织分析，图3表明了Zn－38%Al对称成分合金在300℃保温800 h和1 800 h后的组织形貌.保温800 h时，只是筏状组织在局部开始球化，形成了粒状组织.而随着时间延长至1 800 h后，粒状组织发生粗化和聚集.同时还发现fcc结构的富Al和富Zn相中均有细小β(Zn)相粒子析出.由于在300℃保温过程中只可能发生失稳分解及失稳分解组织的粗化，而水淬的冷速较大，不可能在水冷的1、2秒间发生析出.由于经水淬得到的失稳分解组织的两相具有极高过饱和度，所以在室温下很容易发生析出，分别从fcc结构的富Al和富Zn相中析出hcp结构的β(Zn).发生的反应分别为:α(Al)→Al+β(Zn);α(Zn)→α(Al)+ β(Zn).这意味着失稳分解两相中的析出是在室温下发生的.因此，300℃等温处理长时间形成的粗化组织也是由fcc结构的富Al和富 Zn两相组成.一般来说，失稳分解过程是一个体扩散控制的过程，所以其粗化也应该是一个与体扩散密切相关的过程.图4表明了Zn－38%Al对称成分合金在300℃保温不同时间时，所测得的fcc结构富Zn相的平均直径与保温时间t的平方根的关系.Zn－38%Al对称成分合金失稳分解组织粗化后的相尺寸与保温时间的平方根呈线性关系，曲线经过原点.这意味着Zn－38%Al对称成分合金失稳分解组织的粗化过程也是由体扩散控制.

图2 Zn－38%Al合金300℃失稳分解组织的连续粗化形貌Fig.2 Continuous coarsening feature of spinodal microstructure in the Zn－38%Al alloy at 300℃(a)—300 h;(b)—500 h;(c)—800 h;(d)—1 000 h;(e)—1 350 h;(f)—1 800 h

3 结论

(1)对称成分的Zn－Al二元合金300℃的失稳分解组织是筏状组织.这是由Al－Zn二元合金的弹性模量各向同性所致，失稳分解过程中成分调幅没有择优取向.

图3 Zn－38%Al合金在300℃保温800 h和1 800 h时粗化的失稳分解组织Fig.3 Coarsening spinodal microstructures of Zn－38%Al alloy at 300℃ for 800 h and 1 800 h(a)—800 h(SE);(b)—1 800 h(BSE)

图4 Zn－38%Al合金失稳分解组织中fcc结构的富Zn相直径与保温时间的关系曲线Fig.4 Curve between the average diameter of Zn－rich phase with fcc structure and holding time in the continuous coarsening spinodal microstructures of Zn－38%Al alloy

(2)发生失稳分解的Zn－Al合金在300℃继续保温过程中要发生粗化，与 CuNiFe合金中得到失稳分解的组织不同，只发生连续粗化，不发生不连续粗化.

(3)合金的连续粗化组织的相尺寸与时间的关系表明，粗化组织的相尺寸与时间的1/2次方成正比，说明粗化过程是由体扩散控制的.

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Stability of spinodal decomposition microstructure in the symmetrical Zn－Al alloy

Zheng Yi1，Shi Xiaodong2，Ren Yuping3

(1.AVIC Shenyang Aircraft Corporation，Shenyang 110850，China; 2.AVIC Shenyang Liming Aero－engine(Group)Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China; 3.Key Laboratory of Anisotropy and Texture of Materials(Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The spinodal decomposition microstructures in the Zn－38%Al alloy(mass percent)were investigated at 300℃ by means of optical microscopy，scanning electron microscopy and transmission electron microscopy.The results showed that the spinodal decomposition microstructure appears raft－like in the symmetrical Zn－Al alloy treated at 300℃.Only the continuous coarsening of spinodal microstructure occurs，and there is no discontinuous coarsening，which is different from the evolution and feature of spinodal microstructure in the Cu－Ni－Fe alloys.The relationship between size of Zn－rich phase with fcc structure and square root of holding time is linear，which means that the coarsening of spinodal microstructure is controlled by the bulk diffusion in the symmetrical Zn－Al alloy.

Zn－Al alloy;spinodal decomposition;continuous coarsening;bulk diffusion

TG 132.271

A

1671-6620(2014)01-0051-04

2013-08-01.

教育部新世纪优秀人才 (NECT－12－0109);中央高校基本科研业务费 (N100702001).

郑毅 (1973—)，男，工程师，E－mail:zy_zhw@sina.com.