Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高压扭转变形多元合金相回溶行为分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，刘梅·合肥工业大学材料科学与工程学院

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高压扭转变形多元合金相回溶行为分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，刘梅·合肥工业大学材料科学与工程学院

本文所述为在不同变形温度（360℃、400℃）条件下对一种含Zn量达9.0%的铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行高压扭转实验，采用SEM、EDS和XRD技术分析变形后试样的微观组织、第二相粒子分布和成分。研究结果表明：初始铸态组织主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2组成，粗大的第二相粒子沿晶界成链状分布；在变形温度为360℃扭转3/4圈条件下微观组织主要由α(Al) +Al2Cu+MgZn2+Cu(MgZn)2组成，当扭转圈数增加到5圈时Cu(MgZn)2相消失；高压扭转变形过程中，随着变形温度、扭转圈数的提高，基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少，分布更加均匀，第二相粒子回溶进Al基体，获得过饱和固溶体。

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作为新一代的优质结构铝合金材料，因具有密度小、比强度高等一系列优异性能，已被广泛应用于武器系统、航空航天及核工业等尖端领域。研究表明，Zn含量达到7.9%、Zn/Mg比达到2.2以上的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，主要的强化相为GP区和η′相。受合金化程度、加工方式、热处理工艺以及晶体缺陷等因素的影响，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金基体中存在大量的第二相粒子。这些第二相粒子对材料的再结晶行为、力学性能、断裂韧性、耐腐蚀性能等均产生重要影响。一般认为粗大的第二相粒子硬度较高，塑性较差，与基体不共格的粗大第二相粒子本身就相当于裂纹源，因而降低了合金的断裂韧性。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的强度、抗应力腐蚀等性能与基体析出相（MPT）、晶界析出相（GBP）、晶界处的溶质原子以及晶界无析出带（PFZ）等密切相关。基体析出相的大小及弥散程度决定了合金强度，而晶界析出相的分布、尺寸、面积分数、组成成分等将影响合金的抗应力腐蚀能力。

中南大学许晓嫦等采用双向反复压缩变形工艺，研究了在强塑性变形条件下Al-Cu合金、6063铝合金中不同析出相，结果表明强塑性变形引起过饱和固溶体合金脱溶，析出平衡相；对具有介稳相和平衡相的两相合金，则引起第二相粒子变形、破碎和回溶，重新形成过饱和固溶体；国外学者Shima Sabbaghianrad等采用高压扭转和等径角挤压对7075铝合金展开研究，结果表明大塑性变形工艺不仅可获得超细晶组织，而且可在较低温度条件下诱导合金多元合金相（T相Al2Mg3Zn3和η相MgZn2）回溶，形成过饱和固溶体。因此，基于以上相关学者的研究成果，我们以新型铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作为研究对象，采用SEM、EDS和X射线衍射技术，深入研究高压扭转变形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子的种类、分布，以及热加工工艺参数（温度、扭转圈数）对第二相粒子的影响，以期初步揭示Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子回溶变化规律。

实验

高压扭转实验材料为天津理化工程研究院提供的铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其主要合金元素（质量分数，%）为：Zn9.0，Mg3.0，Cu2.6，Zr0.2以 及少量其他杂质元素，Al为基体。采用电火花切取φ50mm×35mm的四组试样，在KSL-1100X箱式电阻炉中对试样进行加热，其中两组试样加热到360℃，另外两组试样加热到400℃。在配备压扭旋转台的YH39-1000型模锻液压机上进行高压扭转实验，扭转圈数分别为3/4、1和5圈。采用Keller试剂（配比为95ml H2O+2.5ml HNO3+1.5ml HCl+1ml HF）对高压扭转变形后的试样进行腐蚀，试样腐蚀时间为12s左右。腐蚀完成后在型号为JSL-6490LV的钨灯丝扫描电子显微镜下进行SEM形貌观察，同时进行EDS能谱分析。对高压扭转变形后的试样在XRD-6100型衍射仪上进行X射线衍射实验，实验条件为CuKα、40kV、40mA，采用Jade6.0软件对衍射实验数据进行分析处理。

实验结果与讨论

初始铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织分析

图1所示为初始铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织的SEM形貌。可以发现微观组织由粗大的等轴晶组成，晶粒大小不一，粗大的第二相粒子沿晶界成链状分布，其形状主要有椭圆形、圆形和长条形（如图1b所示）；晶粒内部弥散分布着细小的第二相粒子，其形状主要呈针状。研究表明，晶界析出相主导了合金的应力腐蚀开裂，而晶内弥散相则抑制基体再结晶，从而主导晶粒和晶体结构，对材料性能产生协同影响。

图1 初始铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织的SEM形貌

对图1b中所示的第二相粒子进行能谱（EDS）分析，可以发现深灰色标记为A的粒子主要由Al、Cu和Zn元素组成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，而Zn元素含量较少，推测A处粒子为AlCu合金相；对浅灰色标记为B的粒子进行能谱分析，可以发现其主要由Al、Cu和Mg元素组成，但是Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，而Mg元素含量极少，推测其为Al2Cu。为了进一步确定A、B处的第二相粒子，对初始态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行XRD物相分析，发现微观组织主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2组成，进而确认了A处粒子为AlCu相，B处粒子为Al2Cu相。此外，XRD物相分析显示微观组织中存在时效强化相MgZn2，结合EDS能谱分析确定基体中弥散分布的针状粒子为MgZn2（如图1b中方框所示）。

变形温度对第二相粒子的影响

图3a、3b所示为400℃变形温度下高压扭转3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织的SEM形貌。可以发现微观组织中存在粗大的三角形、长条形的第二相粒子。采用能谱（EDS）分析发现图3a中标记为A的深灰色三角形粒子主要由Al和Cu元素组成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，该相应为AlCu合金相；对标记为B处的第二相粒子进行能谱（EDS）分析，可以发现其主要由Mg、Al和Cu元素组成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，该相应为Al2Cu；对基体中弥散存在的针状第二相粒子进行能谱（EDS）分析，可以发现其主要由Mg、Al和Zn元素组成，其中Mg和Zn元素的原子百分比接近2:1，该相应为MgZn2。XRD物相分析表明合金微观组织主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2组成，这也进一步证实了能谱分析的正确性。

图2 初始铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金EDS能谱

图3c、3d所示为360℃变形温度下高压 扭 转3/4圈 后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合 金微观组织的SEM形貌。对标记为C处的第二相粒子进行能谱（EDS）分析，可以发现其主要由Al和Cu元素组成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，该相应为Al2Cu；对标记为D处的第二相粒子进行能谱（EDS）分析，可以发现其主要由Al、Zn、Mg和Cu元素组成，其中Cu和（Zn、Mg）原子百分比接近1:2，推测其为Cu(MgZn)2。XRD物相分析表明360℃变形温度下高压扭转3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织由α(Al)+Al2Cu+MgZn2组成，通过XRD技术并未检测到Cu(MgZn)2相的存在，但是基于相关文献的研究结果确定基体中存在Cu(MgZn)2相，但是由于其含量较少，XRD未能检测到它的衍射峰。

分析温度变化对第二相粒子的影响（如图3b、3d所示）可以发现经高压扭转变形后沿晶界析出的第二相粒子消失，微观组织中难以观察到明显的晶界，粗大的第二相粒子随机分布在基体组织中。与初始铸态组织相比，基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少，且变形温度越高，粗大的第二相粒子数目越少；此外，与初始状态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的XRD图谱相比，可以发现热变形后部分Al2Cu相对应的衍射峰消失，这表明高压扭转过程中随着应变量的积累，大量的第二相粒子（Al2Cu等）回溶进入Al基体，获得了过饱和固溶体。

表1 不同分析位置处第二相粒子原子百分比（at. %）

图3 HPT变形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织的SEM形貌及XRD衍射图谱

扭转圈数对第二相粒子的影响

变形温度为360℃经高压扭转变形5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织的SEM形貌如图4所示。可以发现微观组织中粗大的第二相粒子均匀分布于Al基体中（如图4b所示）。对图3a中所示粗大的第二相粒子进行能谱（EDS）分析，发现其主要由Al和Cu元素组成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，该相应为Al2Cu。XRD物相分析表明360℃变形温度下高压扭转5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微观组织由α(Al) +Al2Cu+MgZn2组成。与图3d相比，在相同变形温度条件下随着扭转圈数增加，可以发现第二相粒子数量明显减少，分布更加均匀；同时，与初始态的物相组成相比，AlCu合金相消失了，这表明在360℃变形条件下，随着扭转圈数的增加，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金部分第二相粒子回溶进Al基体，导致AlCu合金相消失，第二相粒子数量明显减少。

图4 HPT变形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金

结论

⑴初始铸态组织主要由α(Al)+AlCu +Al2Cu+MgZn2组成，粗大的第二相粒子沿晶界成链状分布，针状MgZn2弥散分布于基体组织中。

⑵高压扭转变形过程中，随着变形温度、扭转圈数的提高，基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少，分布更加均匀，第二相粒子回溶进Al基体，获得过饱和固溶体。

⑶在变形温度为360℃、扭转3/4圈条件下，微观组织主要由α(Al)+Al2Cu +MgZn2+Cu(MgZn)2组成，随着扭转圈数增加到5圈，微观组织中Cu(MgZn)2相消失，第二相粒子数量明显减少，分布更加均匀。