一种新型Er、Zr微合金化Al- Zn- Mg- Cu合金的均匀化处理

李文才 吴 浩 崔恩强 邹文兵 江 旭 李成鑫 潘 龙

(1.上海航天精密机械研究所，上海 201600； 2. 中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209)

铝合金因具有密度小、比强度高、良好的力学性能等诸多优点，被广泛应用于航空、航天和国防工业等高新技术领域[1- 2]。作为一种新型轻量化优质结构材料，超高强Al- Zn- Mg- Cu合金在国民经济和国防建设中具有重要作用。为了满足对材料功能越来越高的要求，微合金化已成为挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步研发新材料的重要手段。微量Er、Zr的添加能有效改善合金的性能，已成为铝合金领域研究的热点。

研究[3]表明：Al- Zn- Mg- Cu合金的均匀化处理不仅能消除铸态组织中的非平衡共晶相及成分不均匀性，而且能使合金中的微合金化元素以细小弥散的第二相粒子析出，这些粒子在合金的后续热加工过程中具有重要作用。本文重点研究了均匀化工艺对新型Er、Zr复合微合金化Al- Zn- Mg- Cu合金中Al3(Er,Zr)相析出及再结晶行为的影响，以确定适合该合金的最佳均匀化处理工艺。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

以半连续铸造生产的φ600 mm的铝合金圆铸锭为原料，其化学成分见表1，试样尺寸为20 mm×20 mm×15 mm。

表1 合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the alloy (mass fraction) %

1.2 试验方法

为了确保能充分消除铸态合金中的枝晶偏析和非平衡共晶相，设计了4种均匀化工艺：将铸态试样以0(炉温升至470 ℃直接装炉)、25和50 ℃/h的速率从室温升至470 ℃后保温24 h，分别编为HT、HT25和HT50，以及双级均匀化工艺400 ℃×8 h+470 ℃×24 h(炉温升至400 ℃直接装炉保温8 h取出，待炉温升至470 ℃后再将试样装炉保温24 h)，编为DHT，见表2。

表2 均匀化处理工艺Table 2 Homogenizing processes

对均匀化处理后的试样进行热压缩试验，压缩温度为400 ℃，应变速率为0.15 s- 1，变形量为60%，试样热压缩后立即水冷至室温。最后，将试样在470 ℃保温退火2、4和8 h，水冷至室温。

采用JEM- 2100型透射电镜观察析出相的形貌，采用电解成分双喷法制备试样，电解液成分(体积分数)为30%硝酸+70%甲醇。采用FEI QUANTA FEG 650型扫描电镜配备的电子背散射衍射(EBSD)分析系统研究了合金的再结晶行为，并采用HKL CHANEL 5软件对EBSD数据进行再结晶分数统计。

2 结果与分析

2.1 弥散相析出特征

图1为不同工艺均匀化处理的试样中Al3(Er,Zr)相在[013]晶带轴的中心暗场像，可见合金基体中均弥散分布着大量细小的球形Al3(Er,Zr)相。

使用ImageProPlus软件测量并计算得到不同工艺均匀化处理的试样中Al3(Er,Zr)相的平均直径d、体积分数fV及其数量密度NV，结果见表3。相比单级均匀化处理(HT)，HT25和HT50处理的试样中Al3(Er,Zr)相的平均尺寸明显减小，但数量密度和体积分数高得多。当均匀化升温速率较慢时，合金在低温区停留时间较长，有利于Al3(Er,Zr)相的形核；双级均匀化DHT试样中Al3(Er,Zr)析出相的特征与HT25试样的类似。通常，弥散相越细小，密度越大，合金的强化效果越好。因此，根据Al3(Er,Zr)析出相的特征参数，4种均匀化处理工艺使合金强化的效果从强到弱的顺序为HT50> DHT≈HT25> HT。

表3 不同工艺均匀化处理的试样中Al3(Er,Zr)弥散相的特征参数Table 3 Characteristic parameters of Al3(Er,Zr) precipitates in the samples after being homogenized by different practices

吴浩等[3]研究表明，合金过饱和固溶度和基体中溶质扩散系数是影响Al3(Er,Zr)弥散相析出的主要因素。由表3数据可知，慢速升温均匀化处理能得到尺寸细小、数量密度和体积分数较高的Al3(Er,Zr)相。梯度升温时，低温下合金中Er和Zr元素在Al基体中的固溶度较低，过饱和度较大，从而促进了Al3(Er,Zr)相的形核与析出。同理，双级均匀化DHT试样在400 ℃保温时，合金中Er、Zr元素的扩散速率相对较慢，Al3(Er,Zr)相的核心生长缓慢；后续470 ℃保温为Al3(Er,Zr)相的长大提供了有利条件。

图1 不同工艺均匀化处理的试样中Al3(Er,Zr)相的中心暗场像Fig.1 Central dark- field images of the Al3(Er,Zr) precipitated in the samples after being homogenized by different practices

2.2 等温再结晶动力学分析

吴浩等[3- 7]对铝合金再结晶组织演变等的研究表明，合金中弥散相析出特征影响合金的组织和性能，如强度和抗再结晶性能等。4种工艺均匀化处理的合金变形并于470 ℃退火4 h后的EBSD取向成像图如图2所示，图中红色、黄色和蓝色区域分别代表变形组织、亚晶及再结晶组织。

图2 不同工艺均匀化处理的试样的EBSD取向成像图Fig.2 EBSD orientation images of the samples after being homogenized by different practices

不同工艺均匀化处理的试样变形并于470 ℃退火不同时间后的再结晶体积分数随退火时间的变化如图3所示。定义晶界取向差2°～15°为小角度晶界，即亚晶结构；取向差大于15°为大角度晶界，即再结晶结构；取向差小于2°的为变形晶粒。从图3可以看出，经过相同时间退火后，HT50、HT25及DHT试样的再结晶体积分数均低于HT试样。其原因是前3种试样中Al3(Er,Zr)相的尺寸更为细小，数量密度及体积分数较高，从而使合金具有更好的抗再结晶性能。经过相同时间退火后，4种工艺均匀化处理合金的再结晶体积分数大小顺序为HT50 < HT25 ≈ DHT < HT，与Al3(Er,Zr)相的析出特征基本一致。

图3 不同工艺均匀化处理的试样变形并于470 ℃退火不同时间后的再结晶体积分数Fig.3 Recrystallization volume fraction of the samples after homogenizing by different practicesfollowed by deforming and annealing at 470 ℃ for different times

由于变形工艺相同，可认为4种工艺均匀化处理的合金的变形储存能基本相同，合金的再结晶抗力是由Zener力(PZ)所决定的。将表3中Al3(Er,Zr)相的平均直径d和体积分数fV代入Zener力(PZ)公式PZ=(3γfV)/d中，计算得到HT50、HT25、DHT和HT 4种合金的PZ分别为306.4、200.6、193.0和120.8 kJ/m3。可见HT合金中Al3(Er,Zr)相的PZ最小，因此HT处理的合金更容易发生再结晶。而HT50、HT25和DHT处理均能够改善合金中Al3(Er,Zr)相的分布，从而有效减少或延缓了合金再结晶的发生。

Avrami对再结晶过程的研究发现，再结晶形核率与退火时间呈指数关系，即再结晶动力学符合如下模型(即Avrami方程)[8- 9]：

xr=1-exp(-Btk)

(1)

式中：xr为再结晶分数；B为温度系数，随温度升高而增大；k为Avrami指数；t为退火时间。

对式(1)两边取对数得到：

(2)

将图3中4种均匀化处理的合金的再结晶体积分数代入式(2)，作出lg{ln[1/(1-xr)]}-lgt关系图，如图4所示,经线性拟合后得到直线的斜率k及截距lgB，从而得到4种试样的等温再结晶模型参数，见表4。

从表4得出的4种变形试样在470 ℃等温退火的再结晶动力学曲线如图5所示。可见4种试样的等温动力学曲线均呈现“S”形，存在孕育期，再结晶速率呈现出“慢、快、慢”的特点。

图4 lg{ln[1/(1-xr)]}-lg t拟合关系直线Fig.4 Linear fitting relationship of lg{ln[1/(1-xr)]}-lg t

表4 不同工艺均匀化处理的试样变形后的等温再结晶模型参数Table 4 Parameters of isothermal recrystallization model of the samples after homogenizing by different practices followed by deforming

图5 不同工艺均匀化处理的试样变形并于470 ℃退火后的再结晶动力学曲线Fig.5 Recrystallization kinetics curves of the samples after homogenizing by different practices followed by deforming and annealing at 470 ℃

由再结晶动力学曲线可知，由于热加工态合金在变形过程中存在动态复合或再结晶行为，造成后续再结晶驱动力的变形储存能得到释放，所以这4种试样在470 ℃退火均需要较长时间才能完成再结晶，所需时间长短顺序为HT50>HT25≈DHT>HT。但该等温再结晶动力学曲线并未考虑弥散相的长大与粗化等因素的影响。虽然L12结构的Al3(Er,Zr)相具有优异的热稳定性，但实际上仍需考虑弥散相的长大和粗化等因素才能准确地预测合金退火过程的再结晶行为。

3 结论

(1)相比单级均匀化处理(HT)，缓慢升温均匀化(HT25、HT50)和双级均匀化(DHT)处理能使试验合金中Al3(Er,Zr)相的平均尺寸减小，体积分数和数量密度显著提高。

(2)Al3(Er,Zr)相的弥散析出特征影响合金在后续热处理过程中的抗再结晶性能，经470 ℃退火相同时间后，4种工艺均匀化处理的试样的再结晶体积分数大小顺序为HT50

(3)Avrami再结晶动力学模型适用于Al- Zn- Mg- Cu合金的等温再结晶过程。