铝锌镁铜锆钪合金型材的组织和性能

王少华，马志锋，刘 惠，张显峰，孙 刚，冯朝辉，李 伟，陆 政

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

铝锌镁铜系高强铝合金具有高的强韧匹配性能、良好的热加工性能（适于轧制、挤压和锻造），是航空航天和交通领域的主要结构材料之一［1－3］。添加微量元素是提高铝合金性能的有效途径，也是新型合金发展的研究热点。1943年，美国科学家在铝锌镁铜合金中添加少量的铬元素，成功地研制出7075铝合金，成为了第一个可以应用于实际的7000系铝合金［4］。1971年，美国在7075合金的基础上调整了主元素含量，同时用元素锆代替了铬，显著降低了合金的淬火敏感性，有效细化了合金的晶粒尺寸，开发出了强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能等均较好的7050合金［5］。研究表明，铝合金中加入微量钪形成LI2型Al3Sc相的晶格常数与铝基体相近，可以有效地细化晶粒，具有强烈的时效强化效应［6］。大量研究表明［7－11］，钪和锆同时加入到铝合金中形成的Al3（Sc，Zr）相是以Al3Sc相为基的置换固溶体，钪和锆相互置换，晶格类型和晶格常数变化小，在高温条件下不易长大。文献［12－14］报道，在铜质量分数超过1.5%的合金中添加钪时，合金中可能形成含铝，铜和钪的 W相（ScCu6.6～4Al5.4～8）。该相在铝熔体凝固过程中形成，且在随后的冷热加工和热处理过程中均不溶解，会影响合金的性能，不利于发挥钪的潜在优势。

铝锌镁铜锆合金是一种新的高强铝合金，该合金中锌含量较高，但是铜和镁的含量较低。因此，该合金具有较高强度，同时拥有优于同系列合金的断裂韧性和淬透性。为了进一步提升该合金的综合性能，挖掘合金元素的潜力，作者尝试在该合金中添加了微量的钪元素，采用挤压变形方式制备了合金型材，对其进行了双级时效处理，并分析了合金的组织和性能以及钪元素的存在形式，为该新型高强铝合金的推广应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为2.5 mm厚的铝锌镁铜锆合金型材（基体合金，以下简称合金1）与加钪微合金化后的合金（以下简称合金2），其化学成分见表1。将两种合金采用相同的熔炼和半连续铸造工艺制备成φ126 mm圆锭，经过均匀化处理后车外圆，得到φ110 mm×400 mm的挤压坯料，再经挤压得到2.5 mm厚的合金型材。两种合金的挤压工艺相同，挤压前在430℃下保温4 h，挤压温度400～420℃，出口速度为 0.8 ～1.2 m·min－1，挤压比25∶1。合金型材经470℃ ×2 h固溶、室温水淬后，再进行120℃ ×4 h+165℃ ×8 h的双级时效处理。

表1 试验合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chem ical compositions of the test alloys（mass）%

图2 铸态合金的EBSD形貌Fig.2 The EBSD morphology of cast alloys:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

两种合金时效后在WDW-100 kN型试验机上进行拉伸试验，试验过程按照HB 5143－1996的有关规定进行，结果取2次测量的平均值，拉伸试样沿挤压方向截取，试样尺寸如图1所示。在拉伸试样的夹持部位截取金相试样，先经粗磨、细磨和机械抛光，再采用混合酸——凯氏溶液（95%H2O、1.5%HCl、1%HF 和 2.5%HNO3组成，体积分数）腐蚀后，直接在莱卡MEFS型多功能光学显微镜下观察显微组织。电导率测试在SIGMASCOPE SMP10型电导仪上进行，测试前先用标准块进行校准，取3次测试的平均值。第二相及成分分析在JSMM5600LN型扫描电镜（SEM）上进行。合金时效后沉淀相的析出情况在JEM-2010型透射电镜（TEM）上观察，加速电压为200 kV。采用电子背散射衍射（EBSD）技术分析合金型材的晶粒大小、晶粒取向及再结晶情况，背散射电子衍射分析在LEO-1450扫描电镜配备的Channel 4（EBSD）系统上进行，分析时采用的步长是0.6μm，范围为300μm×200 μm。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimension of tensile sam p le

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图2可以看出，合金1铸锭的晶粒形貌为近等轴状，晶粒大小不一，平均尺寸为60～70μm;合金2铸锭的晶粒尺寸明显比合金1铸锭的细小，而且为尺寸均一的等轴晶粒，晶粒平均尺寸为35～40μm，说明钪可以有效地细化合金铸态晶粒。

从图3可以看到，在合金2铸态组织中，晶内分散着许多方形的粒子，尺寸约为10μm;经过固溶处理后，晶界处仍有少量的白色第二相存在，而且铸态组织中存在的方形粒子也未溶解，尺寸与铸态时相当。图3中标记A和B的方形粒子的EDS分析结果如表2所示，表明该粒子为合金凝固过程中形成的 Al3（Sc，Zr）第二相粒子［9］。

图3 合金2中第二相的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of second phases in alloy 2:（a）as-cast state and（b）after solution treatment

表2 图3中第二相的EDS分析结果（原子分数）Tab.2 The EDS analysis resu lt of the second phases in Fig.3（atom） %

从图4可以看出，合金1的晶粒沿挤压方向（L向）呈明显的纤维状，横向（LT向）的晶粒尺寸有所增大，但仍为拉长的组织，只是发生了部分的回复再结晶和晶粒长大;合金2晶粒沿挤压方向（L向）呈明显的纤维状，横向（LT向）的晶粒尺寸细小，仍为拉长的平行组织，未发现明显的回复再结晶。

图4 试验合金固溶后的三维光学形貌Fig.4 Three-dimensional OMmorphology of test alloy after solution treatment:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

2.2 TEM形貌

从图5可以看出，合金1晶内存在棒状和圆形两种形态的沉淀相，而且主要以圆形的沉淀相为主，尺寸多集中在10～20 nm;〈001〉Al带轴下可以清晰地发现在1/3{220}、2/3{220}的位置出现了η＇（η）相的衍射花样，晶内沉淀相主要为与基体半共格的η＇相和非共格的η相，并且η相数量居多［15］。合金2晶内η＇相和η相的尺寸和数量与合金1晶内的基本一致，晶内大量分布着 Al3（Sc，Zr）粒子［16］，尺寸为20～50 nm，该粒子在后续的热处理过程中，可以有效地抑制合金的回复再结晶行为。

从图6可以看出，经双级时效后合金1晶界沉淀相粗化严重，呈圆形且沿着晶界断续分布，晶界附近存在明显的晶界无析出带（PFZ），过时效现象明显;合金2晶界处没有发现明显的晶界无析出带，而且晶界上沉淀相没有明显的粗化现象，说明钪能有效抑制晶界无析出带形成和沉淀相的粗化。

另外，合金2在热处理后还发现了一种不常见的第二相粒子，该相的TEM形貌和EDS分析结果如图7所示。为了确定这种第二相的元素组成，对该相做主元素的区域面扫描，结果如图8所示。综合以上分析结果，可以确定该相的主要组成元素为铝、铜和钪，而锌和镁只是部分固溶的元素。根据文献［12－14］和铝-铜-钪三元相图推测该相为W相（ScxCuyAlz）。W相在铝熔体凝固过程中形成，在随后的冷热加工和热处理过程中均不溶解，会对合金的性能产生不利的影响。

图5 试验合金双级时效后晶内TEM形貌和选区电子衍射图Fig.5 TEMmorphology and SAD patterns in grains of test alloys after two-step aging treatment:（a）alloy 1，〈001〉SADP;（b）alloy 2，〈001〉SADP and（c）alloy 2，Al3（Sc，Zr）

图6 试验合金双级时效后晶界的TEM形貌Fig.6 TEMmorphology of grain boundaries of test alloys after two-step aging treatment:（a）alloy 1 and（b）alloy 2

2.3 晶粒取向

图7 合金2中第二相的TEM形貌和EDS谱Fig.7 TEMmorphology（a）and EDS analysis（b）of second phase in alloy 2

从图9可见，合金1的晶粒由纤维状和许多小尺寸的近等轴晶粒组成，而且纤维状晶粒的尺寸也较大;合金1的晶界上发生了比较明显的再结晶，在拉长的晶粒之间存在许多小尺寸的近等轴晶粒。合金2的晶粒特别细小，无论是晶粒的长度还是宽度都比合金1的小;晶粒形状基本都是拉长的纤维状，整个观察区域内的晶粒数量多且尺寸细小，很好地保持了固溶处理前的挤压态组织，合金中仅发生了很少量的再结晶，说明钪可以有效抑制变形合金的回复再结晶行为。这主要是因为钪的加入，首先在合金中生成了初生的Al3（Sc，Zr）相，在合金凝固过程中它作为异质形核核心，显著细化了铸态组织。在均匀化处理过程中，合金中会析出尺寸为20～50 nm的二次Al3（Sc，Zr）相，该相在高温下可以稳定存在且不易长大，有效地钉扎晶界和亚晶界，阻止了晶粒的长大。

2.4 拉伸性能

从表3可以看出，加入钪后的合金2在伸长率和电导率相当的情况下，其抗拉强度和屈服强度比未添加钪的合金1分别提高了4.5%和4.7%。

图8 合金2中第二相的主元素面扫描结果Fig.8 Area scanning of themajor elements com posing second phase in alloy 2

图9 试验合金横向截面的EBSD晶粒图和晶界图Fig.9 EBSD maps of grain and grain boundary morphology on transverse section of test alloy:（a）alloy 1，grain;（b）alloy 1，grain boundary;（c）alloy 2，grain and（d）alloy2，grain boundary

表3 试验合金双级时效后的拉伸性能和电导率Tab.3 Tensile properties and electrical conductivity of test alloys after two-step aging treatment

通过前面的试验结果可知，钪能提高合金强度的原因可以归纳为以下几个方面。第一，初生的Al3（Sc，Zr）相显著细化了铸态合金的晶粒，为合金以后的变形和热处理提供了比较好的组织基础。第二，在均匀化过程中大量析出均匀细小的次生Al3（Sc，Zr）相可以有效钉扎位错和（亚）晶界，阻碍合金变形后热处理过程的晶粒长大和回复再结晶，较好地保持了合金拉长的纤维状组织;小尺寸的晶粒对提高合金的强度和变形协调能力也有很大好处，这 也 符 合 Hall-Petch 理 论［17］。 第 三，Al3（Sc，Zr）粒子在变形过程中不能被位错切过，可以有效减少位错在晶界或者特定区域的堆积几率，以免造成应力集中而影响合金的强度和韧性。第四，虽然没有直接证据证明钪的加入可以促进合金晶内沉淀相的析出，但是可以有效地抑制晶界无析出带的出现和沉淀相的粗化，对合金的强度和韧性有利。另外，关于合金中观察到的 W相（ScxCuyAlz）对合金性能的影响有待进一步研究。

3 结论

（1）铝锌镁铜锆合金型材双级时效后的抗拉强度为 540 MPa，屈服强度为 507 MPa，伸长率为11.1%，电导率为41.7%IACS;在合金中添加微量元素钪后，合金型材在伸长率和电导率相当的情况下，其抗拉强度和屈服强度分别提高了4.5%和4.7%。

（2）在铝锌镁铜锆钪合金型材中，元素钪主要以Al3（Sc，Zr）相形式存在，可以显著细化合金的铸态、挤压态组织以及阻碍合金的回复再结晶，并且有效抑制晶界无析出带的出现和晶界沉淀相的粗化;另外，在合金中发现了由铝、铜和钪三种元素形成的W相。

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