微量合金元素Ti、Zr、Sc对5A06铝合金棒材粗晶组织的影响

林顺岩，周志军，温庆红，姚 勇，杜 君

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

微量合金元素Ti、Zr、Sc对5A06铝合金棒材粗晶组织的影响

林顺岩，周志军，温庆红，姚 勇，杜 君

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

考察了微量合金元素Ti、Zr、Sc及其复合作用对5A06合金粗晶组织的影响，并对合金挤压棒材形成粗晶组织的机理进行了探讨。结果表明：5A06合金挤压时主要以动态再结晶为主，粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的。单独增加Ti的含量，或者添加Ti、Zr元素，对抑制和消除合金挤压棒材粗晶组织的效果不明显；采用微量合金元素Ti、Zr、Sc共同复合，充分发挥合金元素Ti、Zr、Sc复合微合金化抑制合金再结晶的作用，可有效抑制合金挤压棒材粗晶组织的形成。

5A06铝合金；粗晶组织；微合金化；均匀化热处理

0 前言

5A06铝合金具有较高的强度、良好的耐蚀性和焊接性等特点，是Al-Mg系合金中的典型合金，特别适用于轻量化要求和耐蚀性要求的结构件，广泛应用于航空航天、交通运输、机械工业等领域中[1]。Mg是合金的主要强化相。Mn能部分溶于固溶体，部分以MnAl6形式存在，有一定的强化作用。但添加Mn主要是为了提高合金的再结晶温度和改善合金焊接性能，减少焊接裂纹和提高焊接强度。Ti能细化焊接铸造组织和焊缝组织。Be显著提高合金熔体抗氧化性能。合金室温时的主要相为：α（Al）、β（Mg5Al8）、MnAl6等；可能的杂质相为Mg2Si、FeAl3、(Fe，Mn)Al6等[2]。

粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一，当断面形成相当大面积的粗晶区域时，材料的力学性能、疲劳强度显著降低，造成挤压制品的报废。根据粗晶环的出现时间，将其分为两类，第一类是挤压过程中出现的粗晶环，第二类是挤压制品在热处理过程中出现的粗晶环[2～4]。

消除铝合金挤压形成粗晶组织缺陷一直是工业化生产中的难题之一。目前，西南铝业（集团）有限责任公司生产的5A06-H112或O态的挤压棒材，合金截面低倍组织中有较明显的粗晶组织，且合金组织不均匀。具体表现为：合金棒材低倍组织均出现细-粗-细、细粗等现象，粗、细晶边界有时无明显界限；优化调整挤压系数、挤压温度（高、中、低温）等工艺参数均没有明显改善。粗晶缺陷在H112状态就已出现，若H112状态没有粗晶，退火后也没有，若H112状态有粗晶，退火后仍然存在。合金棒材的粗晶组织，在挤压直径小于40mm小规格棒材中表现更为明显（见图1）。

图1 直径为25mm、30mm的5A06挤压棒材截面低倍组织

通过分析5A06合金挤压棒材粗晶组织缺陷特点和形成机理，采用添加微量合金元素Zr、Sc和增加合金细化剂Ti的含量，提高合金的再结晶温度，考察微合金化对5A06合金挤压棒材粗晶组织的影响。

1 试验方法

1.1 棒材粗晶组织分析

选取直径为30mm、40mm的5A06合金挤压棒材，观察合金截面的组织形貌。结果表明，ϕ40mm棒材在距表层1～2mm深度范围内晶粒均较为细小；而深度进一步扩大时开始出现异常长大的晶粒，粗大的晶粒分布在细小晶粒组织之中；观察位置进一步向心部移动，异常长大的晶粒尺寸逐渐减小，直到心部组织中只观察到正常尺度范围内的再结晶，而没有异常长大的情况发生（见图2）。ϕ 30mm棒材中也观察到类似的结果，但其粗晶区域更连续，粗晶区域尺寸更大，大晶粒之间的细晶粒区域更小（见图3）。

图2 5A06合金ϕ40mm棒材金相组织（观察面与挤压方向平行）

图3 5A06合金ϕ30mm棒材金相组织（观察面与挤压方向平行）

从EBSD分析的晶界形貌图来看，合金挤压棒材心部晶粒尺寸均大于表层晶粒尺寸。棒材心部及表层的细晶区域均发生了明显的再结晶，其组织以完全再结晶的细小晶粒为主；棒材粗晶组织区域为在细晶组织中分布着异常长大的粗大晶粒（如图4、图5）。

图4 5A06合金ϕ30mm棒材组织EBSD分析

1.2 棒材粗晶组织形成原因分析

挤压过程中，铝合金不可避免的存在有强烈的剪切变形和不均匀变形。一般认为，合金挤压粗晶环形成的原因是：由于挤压模子形状约束与坯料和挤压筒壁之间的剧烈摩擦作用，造成金属流动不均匀，外层金属流动滞后于内层金属，在摩擦力和附加应力作用下，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到严重的剪切变形，晶粒和晶界化合物遭到严重破坏，晶粒内部和晶粒间积累较高的畸变能，从而使外层金属再结晶温度低，容易发生再结晶并长大，形成粗晶组织[4]。有研究指出，制品周边层的完全再结晶温度比中心部分的要低35℃左右[5]。由于挤压不均匀变形是绝对的，所以任何一种挤压制品均有可能在挤压过程中出现粗晶环的倾向。

铝合金在挤压过程中，棒材表层会经历强烈的剪切变形，造成棒材表层形变储能更高，再结晶驱动力更强，因此表层会形成大量的细小的再结晶晶粒。同时，棒材挤压过程中表层的剧烈剪切变形还会导致第二相粒子的充分破碎，合金最表层第二相粒子尺寸更小、分布更弥散，这对再结晶晶界迁移有更强的钉扎作用，有效限制了晶粒的异常长大。而在距表层一定距离处，由于第二相尺寸较大、钉扎作用减弱，加之该区域形变储能很高，导致容易发生某些晶粒的异常长大。在近心部位置由于变形量相对较小，形变储能较小，不足以使晶粒发生明显的长大[5]。因此，合金挤压棒材形成粗晶组织可能的主要原因为：（1）5A06合金挤压时主要以动态再结晶为主，粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的；（2）合金挤压变形是不均匀变形，模孔边缘和中心部位的变形程度不同；（3）不均匀变形造成合金不同部位金属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；（4）合金开始再结晶温度较低的部位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。

铝合金挤压过程中的强烈的剪切变形和不均匀变形是无法避免的。受目前挤压设备条件的限制，优化调整合金挤压工艺参数的空间不大。试验已经证明，优化和改善合金挤压工艺，消除合金棒材粗晶组织的效果不明显。因此，提高合金的开始再结晶温度，尽可能地提高合金组织的均匀性，应是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的选择。

2 试验结果

2.1 化学成分优化

合金化学成分必须符合GB/T 3190标准。优化合金化学成分，主要是采用微合金化方法，添加微量合金化元素，辅以相配套的热处理工艺，提高合金的开始再结晶温度和组织均匀性。试验合金铸棒规格为直径162mm，合金化学成分控制见表1。

表1 5A06合金化学成分控制（目标值，质量分数/%）

2.2 挤压工艺优化

挤压试验选取三种合金成分的合金铸锭。为降低合金挤压时不均匀变形的程度，采用优化后的挤压工艺进行挤压试验。挤压工艺为：棒温410～430℃，模温 420～450℃，挤压速度 0.8～1.5m/min，挤压系数小于20。同时，采用挤压在线水冷或空冷，考察不同冷却方式对抑制挤压棒材表面再结晶的影响（见表2）。挤压后的棒材组织见图6和图7。

表2 直径30mm挤压棒材低倍检测结果

（续表2）

图6 直径30mm的挤压棒材典型低倍组织

表3 5A06合金挤压棒材室温力学性能

图7 直径30mm的挤压棒材典型高倍组织

2.3 棒材力学性能

试验结果表明，采用Ti、Zr、Sc复合微合金化的5A06合金铸棒（熔次号15-112），辅助以合适的均匀化退火，适当降低挤压时铸锭加热温度和模具温度、控制挤压速度和挤压系数，防止因挤压系数过大、挤压速度过快造成挤压棒材温度上升过高的挤压工艺，可较好地消除合金挤压棒材粗晶组织缺陷，且挤压棒材组织均匀，晶粒度不大于3级，室温力学性能满足规定的标准要求(见表3)。

3 结果分析与讨论

5A06合金挤压棒材粗晶组织的缺陷分析结果表明，合金的粗晶组织主要是在挤压生产过程中产生的；合金挤压变形是不均匀变形，不均匀变形造成合金不同部位金属畸变储能的差异，导致合金开始再结晶温度不同；合金开始再结晶温度较低的部位优先再结晶，再结晶晶粒长大，形成粗晶组织缺陷。因此，提高合金的开始再结晶温度，是消除合金棒材粗晶组织缺陷较好的选择。

研究已经证明，微量合金元素Ti、Zr、Sc等可细化合金晶粒，提高合金的再结晶温度。Ti是工业上常用的晶粒细化剂，主要作用是细化合金铸态时晶粒组织，有一定的提高合金再结晶温度的作用。Zr作为微合金化元素添加到铝合金中，形成的A13Zr粒子的再结晶抑制作用表现在两方面：抑制再结晶形核过程和阻碍晶粒长大。在再结晶晶粒的形核阶段，相邻亚晶粒边界上的位错通过滑移或攀移，使得中间的亚晶界消失，多个亚晶合并成为一个大的亚晶粒，大的亚晶粒边界通过吸收位错而逐渐转化为大角度晶界，并最终成为再结晶核心。而弥散的A13Zr粒子尺寸小，密集度很高，与母相的失配率只有0.8%，对位错和晶界具有很强的钉扎作用，可以阻碍位错重新排列成亚晶界及其发展成大角度晶界的过程，从而阻碍再结晶的形核[6、7]。

金属钪（Sc）是人们所发现的对铝合金最为有效的合金化元素，只要在铝中加入千分之几的钪就对铝合金起强烈的变质作用，使合金的结构和性能发生明显的变化。微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化铝合金的晶粒，抑制合金的再结晶，而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能，甚至增强抗中子辐照损伤性能[8]。钪是一种有效的再结晶抑制剂，能将铝合金的再结晶温度提高到450～550℃，合金在均匀化、热变形和淬火后仍能保持未再结晶状态[9]。与Mn、Cr、Ti、V等其他过渡族金属元素相比，Sc能显著提高合金的再结晶温度，特别是与Zr复合添加后，合金的抗再结晶效应非常强烈，再结晶温度很高以至于在再结晶终了时合金就开始熔化[10]。

合金元素Ti、Zr、Sc都有细化合金晶粒、提高合金再结晶温度的作用，但由于5A06合金化学成分标准的限制，微量合金元素的添加量不能超过标准规定的含量，且三种合金元素提高合金再结晶温度的程度不尽相同。如采用三种合金元素复合添加，必须考虑三种元素的相互影响。研究表明，Ti能溶解入Al3Sc相内，但在Al3Sc相内的溶解度相当小。Zr能较多地溶解入Al3Sc相中，并形成Al3（Sc，Zr）相，这种相的晶格类型、点阵参数与Al3Sc相差甚小，Al3（Sc，Zr）相不仅保持了Al3Sc相的全部有益作用，而且在高温加热下的聚集倾向比Al3Sc相小得多[10]。因此，采用微量的合金元素Ti、Zr、Sc共同复合，三种微量元素Ti、Zr、Sc与合金的主要合金元素Mg、Mn均不发生反应，且有着较好的协同作用，可较好地实现提高合金再结晶温度的目的。

一般来说，铝合会铸锭在铸造过程中通常会产生晶内偏析、区域偏析和形成粗大金属间化合物，铝基体中固溶的主要合金元素也处于过饱和状态，铸锭有很强的内应力。均匀化热处理就是为了消除这些非平衡结晶，使偏析和富集在晶界和枝晶网络上的可溶解金属间化合物发生溶解，使固溶体浓度沿晶粒或整个枝晶均匀一致，消除内应力。Zr作为微量元素添加到铝合金中，在不同加工及热处理状态下有四种不同的存在形式：（1）固溶在铝合金基体中；（2）生成粗大的初生Al3Zr相；（3）形成亚稳态的Al3Zr(Ll2)相；（4）形成平衡态的Al3Zr相[11]。常温条件下，在铝合金中真正发挥Zr元素作用绝大部分与亚稳Al3Zr相有关。Zr在铝合金中固溶度很低，在均匀化处理过程中以Al3Zr相形式沉淀析出，在随后的加工和固溶处理等工艺过程中，这些粒子起到抑制溶解和晶粒粗化作用，并有效控制晶粒和亚结构演变。亚稳Al3Zr相作用效果的高低主要取决于粒子的尺寸、分布空间及弥散程度。

在5A06合金中添加微量的Zr、Sc合金元素，其主要目的就是要提高合金的再结晶温度，铸锭均匀化处理应根据Al3Sc与Al3Zr粒子的析出特性，充分发挥其抑制合金再结晶的能力，其次兼顾一般意义上的均匀化处理消除晶内偏析和铸造应力等。因此，采用均匀化退火热处理，希望获得弥散、均匀、细小的 Al3Ti、Al3Sc、Al3Zr和 Al3（Sc、Zr） 粒子，发挥其在挤压过程中抑制合金再结晶的作用，消除合金挤压棒材粗晶组织。试验结果表明，单独增加Ti含量（15-110#）或Ti与微量Zr复合添加（15-111#），对提高再结晶温度的作用有限，抑制粗晶组织效果不明显。只有Ti、Zr、Sc三种合金元素的复合共同作用（15-112#），辅以合适的均匀化热处理，才能较好地提高合金的再结晶温度，消除合金挤压棒材粗晶组织缺陷。没有均匀化的铸锭，由于有效提高再结晶温度的Al3Ti、Al3Sc、Al3Zr和Al3（Sc、Zr）等粒子没有充分弥散析出，不能有效抑制挤压过程中的动态再结晶。试验证明，采用合适的均匀化退火工艺（15-112#），在保证Al3Ti、Al3Sc、Al3Zr和Al3（Sc、Zr）等粒子充分析出、弥散分布的同时，防止其粗大化，可提高合金再结晶温度，有效消除挤压棒材的粗晶组织缺陷。

4 结论

（1）5A06合金复合添加Ti、Zr、Sc微量元素，提高了合金的开始再结晶温度，可消除合金挤压棒材的粗晶组织缺陷。

（2）适当地降低合金的挤压温度、控制挤压系数和挤压速度，可控制挤压棒材温升过高和减小挤压不均匀变形的有害影响。合适的挤压工艺为：棒温410～430℃，模温420～450℃，挤压系数小于20，挤压速度0.8～1.5m/min。

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Effect of Ti,Zr,and Sc on Coarse Grain Microstructure of 5A06 Aluminum Alloy Bars

LIN Shun-yan,ZHOU Zhi-jun,WEN Qing-hong,YAO Yong,DU Jun(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)

Effect of coarse microstructure on trace elements Ti,Zr,and Sc and its compound action was investigated,and formation mechanism of coarse microstructure of aluminum alloy extruded bars were discussed as well.The results show that dynamic recrystallization is the main one during extruding 5A06 alloy,coarse microstructure is occurred during extruding.Added Ti only,or added Ti and Zr can not remove coarse microstructure obviously;but common compound of Ti,Zr,and Sc can be used to control the formation of coarse microstructure of extruded bar.

5A06 aluminum alloy;coarse microstructure;microalloying;homogenization heat treatment

TG146.21，TG376.8

A

1005-4898(2017)06-0014-08

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.03

林顺岩（1965-），男，湖北天门市人，工程师。

2017-10-15