不同Zr质量分数对7003铝合金凝固过程的影响

冯艳飞，赵 鑫，杨 路，王 克，郑 建

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

随着计算机技术的不断蓬勃发展，数值模拟技术得到了快速的进步，在解决铝合金冶金工程难题方面具有很大优势，成为当今非常热门的研究方向之一[1-3]。7003铝合金属于Al-Zn-Mg系铝合金，具有中等强度、良好的塑性加工性能及优良的焊接性能，在轨道交通、装备、桥梁等方面都有极广泛的应用。近年来，人们对Zr在超高强铝合金组织、性能中的作用及影响进行了大量研究并取得重要进展[4-6]。但Zr在中强度Al-Zn-Mg系铝合金中的相关研究却报道较少。为此，本文以Al-Zn-Mg系中的7003铝合金为基体，计算分析了添加不同Zr质量分数对合金相组成、析出温度及力学性能的影响。

1 凝固过程计算

本文通过合金成分设计，运用数值模拟的方法分别计算不同Zr质量分数（0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%）对7003铝合金凝固过程的影响。合金化学成分如表1所示。

表1 7003合金化学成分（质量分数/%）

采用Scheil-Gulliver模型理论[7-9]可以很好地模拟众多铝合金的凝固过程，但它是一个近似值。为了很好地控制凝固全过程，该模型推导基于以下假设：（1）固相中无扩散，DS=0；（2）液相均匀混合，液态金属在任何时刻都能通过扩散、对流或强烈搅拌而使其成分完全均匀，DL=∞；（3）固-液界面处于局部平衡状态；（4）固相线和液相线为直线。

形成固相中合金成分计算公式：

形成固相所占分数计算公式：

热动力学计算原理如下所示：

2 计算结果及分析

2.1 Zr质量分数对相组成及其析出温度的影响

图1为不同Zr质量分数下理想状态的7003铝合金铸锭相组成及其析出温度。从图中可以看出，7003铝合金铸锭在理想状态下的相组成如下：α-Al、 η （MgZn2）、 Mg2Si、 E （AlCrMgMn）、Al6Mn、Al7Cr、Al13Cr4Si4和Al3Zr等。其中7003合金的强化相主要为η（MgZn2）相。随着Zr质量分数的增加，合金的析出相及析出温度变化较为明显，尤其是Al3Zr相（图中Al3M-DO23）。在所添加的Zr质量分数为0.04%～0.20%时，7003合金相组成中出现了含Al3Zr相，并且随Zr质量分数增加，其析出温度发生了明显的变化。

图2为不同Zr质量分数下的Al3Zr相与析出温度的对应关系。从图中可以看出，在相同凝固温度下，随着Zr质量分数增加，Al3Zr相也不断增多；并且在645.6℃时，Al3Zr相出现高峰值，而其低峰值在620℃时出现。且Al3Zr相析出的峰值温度不受Zr质量分数而变化。在620℃以后，随着凝固温度的降低，Al3Zr相逐渐增多，最后趋于稳定平衡。当Zr的质量分数分别为0.08%、0.12%、0.16%、0.20%时，Al3Zr相高峰值的质量分数分别为0.09%、0.18%、0.26%、0.34%；当Zr分别为0.16%、0.20%时，Al3Zr相低峰值的质量分数分别为0.03%、0.11%。Zr的质量分数低于0.12%时，未出现低峰值。当Zr分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%时，Al3Zr相趋于平衡稳定，熔体内含Al3Zr相的质量分数分别为0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%，这主要是与Al3Zr相中合金元素Zr的变化有关。

2.2 不同Zr质量分数对凝固温度的影响

图3是不同Zr质量分数下的理想状态的7003铝合金凝固温度变化曲线。从图中可以看出，随着Zr质量分数增加，凝固温度发生了明显变化。图中出现两个转折点所对应的温度分别为结晶开始温度和终了温度。在未添加Zr时，7003铝合金的结晶开始温度和所需时间分别为647.0℃、51.8 s，而结晶终了温度和所需时间分别为467.9℃、475.0 s。而分别添加0.04%、0.08%、0.12%、0.16%和0.20%Zr之后，结晶开始温度分别为647.2℃、646.9℃、646.7℃、646.5℃，开始结晶所用时间分别为51.7s、35.5 s、27.9 s、28.1 s，结晶终了温度为468.9℃、468.2℃、467.9℃、467.9℃。结晶从开始至终了所用的时间依次为475.9s、447.7 s、437.7 s、437.6 s。与未添加Zr相比，过冷度略增大，开始和终了的时间均缩短。当Zr质量分数为0.16%时，与未添加Zr相比时，其结晶开始和终了的时间分别降低了46.1%、7.9%。添加Zr微量元素有利于加快冷却速率，缩短结晶以及凝固过程所需的时间；同时还略降低了结晶开始温度和终了温度，提高了过冷度，有利于7003铝合金晶粒细化。

2.3 不同Zr质量分数对枝晶臂间距的影响

图4为不同Zr质量分数与相对枝晶臂间距的关系。这里所谓的相对枝晶臂间距是指添加Zr的铝合金与不添加Zr的合金枝晶臂间距差值。从图中可以看出，一方面，在相同Zr质量分数下，随着冷却速率的升高，相对枝晶臂间距逐渐缩小；另一方面，在相同冷却速率下，随着Zr质量分数的增加，相对枝晶臂间距呈增大趋势。当冷却速率为0.01℃/s、Zr质量分数分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%时，相对枝晶臂间距依次为0.04 μm、0.06 μm、016 μm、0.21 μm、0.28 μm。枝晶臂间距是两个二次枝晶之间的距离，枝晶尖端半径越小、越尖锐，单位时间排除的溶质原子就越多，越有利于扩散，尖锐的尖梢生长越快。

2.4 不同Zr质量分数对力学性能的影响

图5（a）、（b）是冷却速率为1℃/s时不同Zr质量分数的7003铝合金的屈服强度和抗拉强度。从图中可以明显看出，随着Zr质量分数不断升高，屈服强度、抗拉强度不断增大。与未添加Zr元素相比，Zr质量分数为0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%时7003合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了1.72%～14.05%和1.45%～12.57%。合金的力学性能提高显著，这主要是因为Zr元素与Al基体共格较好，且有晶粒细化和弥散强化的作用[10]。

3 结论

（1）通过计算可知，增加Zr质量分数（0.04%～0.20%），Al3Zr相的析出温度发生了明显的变化。在645.6℃时，Al3Zr相出现高峰值；而在620℃时，Al3Zr相出现低峰值，且Al3Zr相的析出峰值温度不受Zr质量分数而变化。

（2）当Zr质量分数分别为0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%时，Al3Zr相趋于稳定平衡的质量分数分别为0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%。

（3）添加Zr有利于加快冷却速率，缩短结晶以及凝固过程所需的时间。

（4）添加Zr元素可以显著提高7003铝合金的屈服强度和抗拉强度提高。