Y元素对超高强Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织和力学性能的影响

马景涛，陶 慧，李慧中，2，梁霄鹏，2

（1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410083）

Al-Zn-Mg-Cu合金因其密度低，强度高，热处理强化效果好等优点，已成为航空航天领域中的重要结构材料［1-2］。然而，随着飞行器机动性和速度的不断提高，对航空航天用铝合金的力学性能、断裂韧性等综合性能也提出更高的需求［3］。现有研究表明，少量Y元素的添加能够细化铝合金的二次枝晶，减小共晶化合物尺寸，还会与Cu、Si、Al等元素反应，生成如Al6Cu6Y、Al2Y、Al3Y等化合物，这些化合物以块或条形式存在，并分布于晶界，能够有效改善合金的冲击韧性［4-5］；乔及森等在7075铝合金中加入0.2%Y后发现Y元素与合金中的Fe和Mn等元素结合后形成金属间化合物［6］，降低了基体中Fe元素对再结晶晶核形成的阻碍作用，从而提高了合金的再结晶程度，细化了合金的晶粒尺寸。此外，含Y相的形状和尺寸对合金性能也有很大的影响，当Y添加量较小时会形成纳米级网络结构的Al8Cu4Y相，这种相能够提高合金的强度和塑性［7］；当Y添加量较多时，形成粗大的（Al，Zn）8Cu4Y相，对合金的伸长率有负面影响。本文通过研究不同Y元素添加量对Al-Zn-Mg-Cu合金的显微组织和力学性能的影响，探究了Y在合金中的最佳添加量以及合金的强化机理。

1 试验方法

1.1 材料

试验所用的基础合金成分为Al-9Zn-2.5Mg-2Cu-0.06Zr-0.07Ti（wt.%）。采 用 高 纯 铝（99.99wt.%）、纯Zn、纯Mg、Al-46wt.%Cu、Al-3Zr和Al-5Ti-B中间合金，通过熔炼和重力铸造所得。通过添加Al-10Y中间合金得到Y含量为0%、0.1%、0.2%、0.3%的四种合金，分别命名为Y0，Y1，Y2，Y3。具体步骤为：采用石墨坩埚将高纯铝在井式电阻炉中熔化，熔化温度为800℃；待所有原材料完全熔化后除气、除渣，并于720℃浇铸于预热200℃的钢模中。铸锭经470℃／24 h均匀化处理后进行直接热轧，得到厚度为2 mm的板材，控制总变形量为90%。随后对轧板进行470℃／2 h固溶和120℃／22 h时效处理（T6）。

1.2 微观组织表征与性能测试

金相显微组织观察在4XC-Ⅱ光学显微镜上进行。样品经机械研磨和抛光后采用Keller试剂（2.5vol%HNO3、1.5vol%HCl、1vol%HF、95vol%H2O）腐蚀。扫描电镜（SEM）组织和断口观察在sirion200场发射扫描电子显微镜上进行。透射电镜（TEM）观察在Tecnai G2 20 ST透射电子显微镜上进行，样品采用电解双喷减薄的方法制备，双喷液为25vol%HNO3+75vol%CH3OH，温度为-35℃。室温拉伸力学性能测试在MTS-810拉伸试验机上进行，速度为1 mm／min，方向平行于轧制方向。

2 试验结果

2.1 显微组织

不同Y含量铸态合金的金相显微组织如图1所示，由图1可知，四种合金中均存在大量枝晶，并且在晶界上富集大量连续且粗大的第二相。从图1（Y0）中可见，未添加Y的合金晶内存在明显元素偏析，而含Y的合金中这种偏析的现象减弱；添加Y元素后，合金的晶粒细化，其中添加0.2%Y的合金细化效果最好，其平均晶粒尺寸为30～40μm。

图1 不同Y含量铸态合金的金相组织

未添加Y与添加0.2%Y铸态合金的SEM显微组织，如图2所示，由图2可知，未添加Y的合金中，第二相呈现出粗大且连续分布的特征，并且存在大量第二相聚集的区域（图2Y0区域1）。添加0.2%Y的合金中，晶界第二相的尺寸较未添加Y的合金减小，且连续性降低（图2Y2）。对两种合金中不同第二相进行能谱分析，结果见表1，各点分别对应图2Y0和Y2中的标识。由表1可知，未添加Y的合金中，第二相为Mg3Zn3Al2相和M（Cu，Zn，Al）2Mg相。添加0.2%Y的合金中除了Mg3Zn3Al2相和M（Cu，Zn，Al）2Mg相外，还存在（Al，Zn）8Cu4Y相。对比两种合金中Mg3Zn3Al2相和M（Cu，Zn，Al）2Mg相中各元素的占比可发现：添加Y后，Mg3Zn3Al2相和M（Cu，Zn，Al）2Mg相中Zn，Mg，Cu三种元素的含量略有提升。

表1 图2中的各相EDX成分分析at.%

图2 不同Y含量铸态合金的SEM显微组织

不同Y含量的板材经T6热处理后的金相组织如图3所示。由图3Y0可见，未添加Y的合金已经发生了完全再结晶，晶粒为较大的等轴晶粒。添加Y元素后，合金发生不完全再结晶，沿轧制方向被拉长的晶粒依然存在（图中R表示轧制方向）。并且随着Y含量的增加，合金的再结晶比例也逐渐降低，第二相也表现出沿轧制方向分布的特征。

图3 合金板材经T6热处理后的金相组织

未添加Y和添加0.2%Y的轧制板材经T6热处理后的SEM显微组织如图4所示。受轧制的影响，第二相沿轧制方向分布。与未添加Y的合金相比，添加0.2%Y的合金中第二相尺寸明显更细小，平均尺寸从10μm减小到3～5μm。同时，合金中还存在一些细长的第二相，如图4中的D点所示。图4中对应点的EDX分析结果见表2。由表2可知，未添加Y的合金中只观察到M（Cu，Zn，Al）2Mg相，添加Y元素后，合金中除了M（Cu，Zn，Al）2Mg相外，还存在（Al，Zn，Mg）10Cu8Y相，其中较为细长的相为M（Cu，Zn，Al）2Mg相。

表2 图4中的各相EDX能谱分析at.%

图4 合金板材经T6热处理后的SEM显微组织

三种不同Y含量的合金板材经T6热处理后的TEM暗场相及其对应的选区电子衍射花样如图5所示。由图5可知，随着合金中Y含量的增加，析出相的数量逐渐增多。从衍射花样中也可以发现，合金Y1的衍射花样在1／2｛113｝处存在衍射斑，根据标定确定为η相。随着Y含量的增加，在合金Y2和合金Y3中除了出现η相的衍射斑外，在1／2｛200｝和1／2｛220｝处出现Al3Zr相的衍射斑。

图5 含Y元素合金板材T6处理后的晶内暗场相及其对应的选区衍射花样

2.2 室温拉伸力学性能

不同Y含量的板材经T6热处理后的室温拉伸应力-应变曲线，如图6所示。相应的力学性能数据见表3。与未添加Y的合金相比，添加Y后的合金力学性能得到明显改善。并且随着Y含量的提高，强度呈现先升高后降低的趋势。其中，添加当Y含量为0.2%时，对合金的强化效果最明显，该合金的极限抗拉强度为622.7 MPa，屈服强度为590.1 MPa，伸长率为10.44%。

表3 合金室温拉伸力学性能

图6 室温拉伸应力-应变曲线

2.3 断口形貌

不同Y含量板材经T6热处理后的拉伸断口形貌，如图7所示。由图7可知，未添加Y的合金断口呈现出沿晶断裂的特征，并存在少量撕裂的晶粒。而在添加Y的合金断口中出现大量韧窝。其中，Y2合金断口中韧窝数量更多，深度更深，这也说明Y2合金的塑性较其它合金更好。

图7 合金T6热处理后的拉伸断口相貌

3 分析讨论

在合金铸造过程中，受Y原子半径大，固溶度小以及分凝效应等因素的影响，Y元素会在固-液界面处聚集，阻碍Zn、Mg、Cu等元素进入合金基体［8］，从而提高Mg3Zn3Al2相和M（Cu，Zn，Al）2Mg相中Zn、Mg、Cu三种元素的含量。在Y的阻碍作用下，晶粒生长受到抑制，进而起到细化晶粒的效果。同时，随着晶粒内部其它元素含量降低，晶粒内部偏析减弱。根据Zhang等人的结果［9］，添加Y后，Zn、Mg和Cu元素的晶内相对固溶程度从54.82%、49.63%、26.38%分别提高到69.57%、79.15%、49.73%。因此Y对合金强度的提升主要归因于固溶过程中Zn和Mg元素固溶程度的提高，从而导致时效过程中析出相数量的增加。铸态和时效后合金中M（Cu，Zn，Al）2Mg相中Zn，Mg元素与Cu元素之间的比值关系变化情况如图8所示。由图8可知，经过轧制和T6热处理后，添加Y的合金中M（Cu，Zn，Al）2Mg相中的Zn和Mg含量下降较多。

图8 不同状态合金M（Cu，Zn，Al）2 Mg相中Zn含量和Mg含量与Cu含量的比值

（Al，Zn）8Cu4Y相经轧制和T6热处理后转变为（Al，Zn，Mg）10Cu8Y相，该相中Cu元素的占比明显提高，其过程如图9所示，该图给出了T6热处理过程中合金内部元素扩散图。Cu向AlCuY三元相扩散时，不仅提高了AlCuY三元相中Cu元素的占比，同时也导致基体中Cu含量减少，进而加速M（Cu，Zn，Al）2Mg相中各元素向基体扩散，促进了M（Cu，Zn，Al）2Mg相的回溶，降低了M（Cu，Zn，Al）2Mg相的尺寸，提高了合金中Zn和Mg的固溶程度。由于合金中Zn和Mg固溶程度的提高，后续时效过程中更容易出现G.P区，η相增多，合金强度得到提升。

图9 T6热处理过程中合金内部元素扩散行为示意图

Y元素的加入还能改善Al3Zr相的分布，在凝固过程中，Zr容易在铝合金的枝晶中心偏析，导致Al3Zr相的不均匀分布。在Y元素的阻碍作用下，Zr在固-液界面处的含量上升，在Zr含量较低的区域也能形成Al3Zr相，提高了其分布均匀性，Y能够加快Al3Zr相的沉淀，形成更多的Al3Zr相［10］。因此，在添加Y的合金晶界处能够观察到Al3Zr相，且随着Y含量的增加，Al3Zr相的数目逐渐增多。

4 结 论

1.Y元素能够细化Al-Zn-Mg-Cu合金的铸态晶粒，促进第二相均匀分布，添加0.2%Y后的细化效果最佳，合金平均晶粒尺寸为30～40μm。

2.轧制板材中的含Y相在T6热处理过程中能够促进M（Cu，Zn，Al）2Mg相的回溶，提高基体中Zn和Mg的固溶程度。

3.添加了Y后，合金的强度提高，并且随着Y含量的增加，合金的强度和塑性均呈现出先升高后降低的趋势。Y含量为0.2%时，合金的极限抗拉强度为622.7 MPa，屈服强度为590.1 MPa，合金的伸长率为10.44%。