稀土Sc、La对ZL205A合金铸态组织和时效行为的影响

李春晖，黄新忠，何平，李炜，龚子杰，李晓宇，刘润芳

稀土Sc、La对ZL205A合金铸态组织和时效行为的影响

李春晖1，黄新忠1，何平2，李炜1，龚子杰1，李晓宇1，刘润芳1

（1.北京新风航天装备有限公司，北京 100039；2.空装驻北京地区第一军事代表室，北京 100039）

研究分别添加质量分数为0.1%的微量稀土Sc和稀土La元素对ZL205A合金显微组织和时效析出行为的影响。通过金属型重力铸造法，向ZL205A合金中分别加入质量分数为0.1%的稀土Sc和质量分数为0.1%的稀土La元素，制备得到不添加稀土、添加稀土Sc和添加稀土La的ZL205A合金。通过对比分析显微组织，得出不同稀土元素对ZL205A合金显微组织的影响。对3组合金进行T5热处理，分析不同稀土元素对ZL205A合金热处理后组织的影响。将3组合金在155 ℃温度下进行1～20 h的时效，对比分析不同稀土元素对ZL205A合金时效硬化过程的影响。添加质量分数为0.1%的稀土Sc使ZL205A合金中出现了难溶的AlCuSc相，添加质量分数为0.1%的稀土La使ZL205A合金中Al2Cu相数量增多。稀土Sc的添加未改变ZL205A合金达到峰值时效硬度的时间（8 h），但峰值时效硬度由154HV降低至141HV；稀土La的加入使ZL205A合金达到峰值时效硬度的时间由8 h延迟至14 h，但峰值时效硬度由154HV提高至161HV。添加质量分数为0.1%稀土La的ZL205A合金比添加质量分数为0.1%稀土Sc的ZL205A合金具有更好的强化效果。

稀土La；稀土Sc；ZL205A合金；时效行为

Al–Cu系合金也被称为硬铝合金，其强度较高，比常用的Al–Si系合金强度高出约100～200 MPa[1]。ZL205A合金是Al–Cu系铸造铝合金中的代表，由于具有高强高韧、易机械加工、抗应力腐蚀等良好的综合力学性能，适合于生产大型受力结构件，并可以用于生产以铸代锻、以铝代钢、整体铸造等构件，已经在航空航天、汽车、船舶等领域得到了广泛应用[2-5]。众所周知，ZL205A合金的强化方式包括细晶强化、弥散强化和第二相强化，其显微组织包括α–Al基体、Al2Cu相、Al20Cu2Mn3相、Al3Ti相、Al3Zr相和Cd相[6]，主要是靠Al2Cu相和Al20Cu2Mn3相起强化效果，若要提高ZL205A合金的力学性能，可以从增加Al2Cu、Al20Cu2Mn3相的数量，细化Al2Cu相的大小等方面入手，也可以通过添加含有TiC、TiB2的晶粒细化剂来提高ZL205A合金的力学性能，但是在高温时，ZL205A合金强化相的快速粗化会使其力学性能显著下降[7-9]。为了有效提高ZL205A合金的室温高温力学性能，扩大该合金的应用范围，可以将适量的镧（La）、铈（Ce）、钇（Y）和钪（Sc）等稀土元素加入到合金中，由于这些元素具有特殊的电子层结构以及活泼的化学性质，可以与各种元素形成稀土化合物[10]，因此可以在净化熔体、降低氢含量、提高合金力学性能和耐腐蚀性能等方面起到积极作用[11-16]，而针对稀土La、稀土Sc等元素对ZL205A合金显微组织和力学性能的影响和机理方面的研究还相对较少。

文中将质量分数为0.1%的稀土Sc和0.1%的稀土La分别添加到ZL205A合金中，通过金属型重力铸造的方法制备出ZL205A+0.1%Sc（质量分数）和ZL205A+0.1%La（质量分数）合金，研究了稀土Sc和稀土La对ZL205A合金铸态组织的影响，对合金进行T5热处理后，研究了不同时效温度下稀土Sc和稀土La对ZL205A合金时效析出行为的影响。

1 试验

1.1 材料

文中以高纯铝、高纯镉、Al–50Cu中间合金、Al–10Mn中间合金、Al–4V中间合金、Al–4Zr中间合金、Al–4Ti–B中间合金、Al–10Sc中间合金和Al–3La中间合金为原材料，自行配制了ZL205A+ 0.1% Sc（质量分数，下同）和ZL205A+0.1% La（质量分数，下同）合金，合金中各元素实际成分如表1所示。制备合金的精炼过程中使用了六氯乙烷精炼剂。使用体积分数为0.5%的氢氟酸对合金进行腐蚀以观察合金的显微组织。

表1 文中制备的ZL205A合金各元素实际成分

Tab.1 Actual composition of each alloy element of ZL205A alloy prepared in this experiment wt.%

1.2 方法

将高纯铝以及除高纯镉、Al–10Sc和Al–3La以外的其他中间合金放入电阻炉中熔化，升温至730 ℃，然后放入高纯镉和Al–10Sc（Al–3La）中间合金，待温度上升至750 ℃对熔体进行搅拌，然后加入质量分数为0.6%的六氯乙烷精炼除气，静置10 min，待温度达到710 ℃时，将合金液浇入Y型金属模具中，自然冷却至室温后即得到合金铸件。合金铸件示意图如图1a所示。

对合金铸件按照图1b的标示进行取样，将取下的试样在538 ℃下固溶14 h，50 ℃水淬后冷却至室温，然后在155 ℃下进行时效，分别时效1、3、5、8、10、12、14、16、18、20 h（如图1b所示）。使用Axio Scope A1金相光学显微镜观察试样的铸态显微组织，使用华银HV–1000A型显微维氏硬度计测定试样的维氏硬度。

2 结果与分析

2.1 稀土Sc和稀土La对ZL205A合金铸态组织的影响

图2为ZL205A合金、添加质量分数为0.1%稀土Sc的ZL205A合金和添加0.1%稀土La的ZL205A合金的铸态显微组织。由ZL205A合金的凝固过程可知，α–Al首先结晶析出，Cu原子或Mn原子在固液界面前沿富集，当浓度达到共晶成分时，形成α–Al+θ（Al2Cu）二元共晶相和α–Al+θ+T（Al20Cu2Mn3）三元共晶相，在合金的铸态组织中以α–Al和θ相为主，同时存在少量的T相。ZL205A合金中所含的Ti和Zr会在凝固过程中发生包晶反应，形成Al3Zr和Al3Ti相，这2种相可作为异质形核的核心，起到细化晶粒作用；同时，少量未参与反应的Ti和Zr相以小棒状形式分布于基体中。Cd相则是以单质的形式分布于基体中。

图1 合金铸件及取样方式示意图

图2 合金的铸态显微组织

对比图2a、c和e可以发现，稀土Sc的添加并没有明显改变ZL205A合金中α–Al晶粒的形貌，θ相仍具有明显的网状结构，但是有一部分网状θ相向断续的细条状结构转变，并且尺寸略有减小。这可能是由于在生成的富Sc相中含有Cu原子，消耗了固液界面前沿Cu原子的浓度，使其周围θ相呈断续分布。而稀土La的添加虽然没有改变ZL205A合金晶粒的形貌，但是减小了ZL205A合金的晶粒尺寸，这是由于稀土La加入ZL205A合金中后，能够起到成分过冷的作用，从而细化了合金的晶粒。对比图2b、d和f可以发现，添加Sc的ZL205A合金的铸态组织中出现了类似“小块状”和“细棒状”的相，这可能是AlCuSc相。而在添加稀土La的ZL205A合金中，本来连续分布在晶界的Al2Cu相变得不再连续，且Al2Cu相变得更加细小，破碎程度更大。

2.2 稀土Sc和稀土La对ZL205A合金热处理后组织的影响

经T5处理后合金的显微组织见图3。从图3a可以看出，ZL205A合金经T5热处理后，大部分θ（Al2Cu）相已经溶入基体中，且弥散效果较好。从图3b可以观察到，添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金除θ（Al2Cu）相大部分溶入基体以外，还存在部分未溶的AlCuSc相（圆圈标示）。由文献[17]可知，θ（Al2Cu）相的熔点为536.97 ℃，经T5处理后，该相可以完全地溶入基体中；而AlCuSc相的熔点为570.69 ℃，538 ℃的温度并不能使其固溶。因此，添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金经T5处理后，其组织中仍存在部分未溶的耐高温AlCuSc相。从图3c可以看出，添加0.1%稀土La的ZL205A合金中弥散相的数量更多，且分布相比添加Sc的ZL205A合金的分布相而言更为均匀，组织中基本未发现难溶相的存在。

图3 经T5处理后合金的显微组织

2.3 时效硬化过程分析

图4为3组合金在155 ℃经1～20 h时效的硬化曲线。可以看出，未添加稀土的ZL205A合金随着时效时间的延长，硬度逐渐升高至峰值，随后呈现出波浪式的变化规律，最后基本稳定在147HV。而添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金的时效硬化曲线呈现出先升高后降低，随后趋于稳定的变化规律。添加0.1%稀土La的ZL205A合金的时效硬化过程也呈现出先升高至硬度峰值，然后下降的变化规律，但是在时效时间大于16 h后，硬度并未趋近于一个稳定值。

图4 合金在155 ℃时效的硬化曲线

未添加稀土的ZL205A合金和添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金均在时效8 h时达到了峰值硬度，但ZL205A合金的峰值硬度为154HV，而添加0.1%稀土Sc的ZL205A合金峰值硬度仅为141HV，这表明稀土Sc的加入对合金的峰值硬度起到了消极作用。这主要是由于Sc在加入ZL205A合金后形成的AlCuSc相会消耗部分Cu原子，从而阻碍了Al2Cu相的生成，减少了Al2Cu相的数量，在时效过程中，析出相的数量大量减少，并且密度降低，因此降低了合金硬度。

添加0.1%稀土La的ZL205A合金在时效14 h时才达到峰值硬度，文献[6]指出，ZL205A合金是典型的时效强化合金，强化相析出的顺序为GP区→θ"→θ’→θ，而稀土La的加入导致峰值时效时间后移，这是因为ZL205A合金中的Cd元素和加入的稀土La会与空位结合，进而阻碍了空位的迁移，导致形成GP区的速率降低，延缓了时效进程[18-20]。添加0.1%稀土La的ZL205A合金的峰值时效硬度为161HV，并且在时效时间大于12 h后，其硬度均高于其他2组合金的硬度，这可能是因为稀土La的加入使ZL205A合金在完全时效后析出的弥散强化相数量更多，且分布更均匀，从而提高了合金基体的硬度。

3 结论

1）向ZL205A合金中添加质量分数为0.1%稀土Sc使合金组织中出现了难溶的AlCuSc相；而添加质量分数为0.1%的稀土La可以起到成分过冷的作用，从而有效增加Al2Cu相的数量。

2）0.1%稀土Sc的加入没有改变ZL205A合金达到峰值时效硬度的时间（8 h），但生成的AlCuSc相由于消耗掉了具有强化作用的Cu原子，因此将ZL205A合金的峰值时效硬度由154HV降低至141HV。

3）0.1%稀土La的加入使ZL205A合金达到峰值时效硬度的时间由8 h后移至14 h，但稀土La增加了ZL205A合金完全时效析出的弥散强化相数量，使ZL205A合金峰值时效硬度由154HV提高至161HV。

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Effects of Rare Earth Sc and La on As-cast Structure and Aging Behavior of ZL205A Alloy

LI Chun-hui1,HUANG Xin-zhong1, HE Ping2, LI Wei1, GONG Zi-jie1, LI Xiao-yu1, LIU Run-fang1

(1. Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100039, China; 2. The First Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Beijing, Beijing 100039, China)

The work aims to study the effects of adding 0.1wt.% trace rare earth Sc and rare earth La on the microstructure and aging precipitation behavior of ZL205A alloy. Through the metal gravity casting method, 0.1wt.% rare earth Sc and 0.1wt.% rare earth La were added to ZL205A alloy to prepare ZL205A alloy without rare earth, rare earth Sc and rare earth La. Through the comparative analysis of the microstructure, the effects of different rare earth elements on the microstructure of ZL205A alloy were obtained. T5 heat treatment was performed on the triple combination alloys, and the effects of different rare earth elements on the structure of ZL205A alloy after heat treatment was analyzed. The three groups of component alloys were aged for 1-20 h at 155 ℃, and the effects of different rare earth elements on the age hardening process of ZL205A alloy were compared and analyzed. The addition of 0.1wt.% rare earth Sc made the refractory AlCuSc phase appear in the ZL205A alloy. The addition of 0.1wt.% rare earth La increased the number of Al2Cu phases in the ZL205A alloy. The addition of rare earth Sc did not change the time for the ZL205A alloy to reach the peak aging hardness (8 h), but the peak aging hardness decreased from 154HV to 141HV. The addition of rare earth La delayed the peak aging time of ZL205A alloy from 8 h to 14 h, but the peak aging hardness increased from 154HV to 161HV. ZL205A alloy with 0.1wt.% rare earth La has better strengthening effect than ZL205A alloy with 0.1wt.% rare earth Sc.

rare earth La; rare earth Sc; ZL205A alloy; aging behavior

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.013

TG136+.1

A

1674-6457(2022)09-0092-05

2022–01–09

李春晖（1979—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为材料成型与控制。

责任编辑：蒋红晨