錳元素對噴射成形高強鋁合金固溶組織和性能的影響

1、錳元素對噴射成形高強鋁合金固溶組織和性能的影響季飛 蔡元華 張濟山 郝斌（北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室 100083）摘要：利用光鏡，掃描電鏡和X射線衍射的觀察以及力學(xué)性能檢測，研究了在高強鋁合金中加入錳后對合金固溶組織、拉伸性能以及斷口形貌的影響。結(jié)果表明，加入錳后能使固溶溫度得到提高；通過斷口形貌SEM掃描可以看出，含錳鋁合金的韌窩比不含錳鋁合金要細小，在不出現(xiàn)粗大含錳相時，加錳后斷口上沿晶斷裂減??；同時在高強鋁合金中添加錳元素能提高材料的屈服強度和極限抗拉強度。關(guān)鍵詞：噴射成形；超高強鋁合金；顯微組織；Mn；性能分類號：Influence of Mn content on mic

2、rostructure of spray-formed 7xxx series aluminum alloyJI Fei, CAI Yuan-hua, ZHANG Ji-shan, HAO Bin (State Key Laboratory of Advanced Metal Material 100083)Abstract: The affect of Mn on solution structure，tensile strength and micrographs of fracture of ultra-high strength aluminum alloys were studied

3、 by use of OP,SEM and XRD analysis. The results show that Mn element will increase solution temperature; aluminum alloy with manganese has smaller size of dimple and lower fraction of intergranual fracture surface than those of aluminum alloy without manganese when coarse precipitates containing man

4、ganese did not appear; with manganese added, it will improve YS and UTS of high strength aluminum alloy.Key words: spray deposition; ultra-high strength aluminum alloy; microstructure; Mn; property前言高強鋁合金具有密度小，強度高，加工性能好等特點，在航空航天和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為主要航空航天結(jié)構(gòu)材料的鋁合金正向超高強度、耐腐蝕、低密度、耐熱方向發(fā)展1，2。其中，Al-Zn-Mg-Cu系超

5、高強鋁合金具有廣闊應(yīng)用前景，其發(fā)展方向是進一步提高合金的強度和綜合性能2。在材料制備過程中，通過細化晶粒，提高合金元素的固溶度，添加微量元素，減少雜質(zhì)含量，選擇合適的熱處理工藝等方法都可以提高鋁合金的強度和塑性。隨著熱處理工藝的日趨完善，在鋁合金中添加微量元素從而提高鋁合金的綜合性能越來越受到研究者的重視。近年的研究發(fā)現(xiàn)，在7xxx系鋁合金中添加錳，不僅能細化晶粒、阻礙基體晶粒長大和再結(jié)晶，而且，在不降低鋁合金塑性和韌性的情況下，能顯著地提高鋁合金強度3-5。這主要是由于在鋁合金固溶體中形成了細小彌散的含錳相，這種在合金中均勻分布的含錳相的產(chǎn)生阻礙了晶粒的長大。同時由于含錳相的硬度比鋁合金固溶

6、體的硬度大許多，在合金塑性變形時，含錳相促進了晶粒的均勻變形，使滑移難以進行，從而降低了合金中的應(yīng)力應(yīng)變集中。本文分析了用噴射成形工藝制備的超高強鋁合金中加入錳含量為0.0%2.0%的三種7xxx系超高強鋁合金，確定了在超高強鋁合金中添加錳元素對鋁合金固溶處理和拉伸性能的影響，為噴射成形超高強鋁合金成分設(shè)計以及變形加工熱處理提供依據(jù)。1 實驗方法實驗用合金成分如表1。霧化氣體為工業(yè)純氮氣，霧化壓力為0.50.6MPa；噴射時接受基板轉(zhuǎn)速為接收盤旋轉(zhuǎn)速度3060rpm，接受基板下降速度為0.5mm/sec， 霧化距離380400mm ，斜噴角2030°，噴射沉積霧化溫度為720750。

7、沉積坯經(jīng)機加工之后進行擠壓。擠壓溫度為420，擠壓比為20：1。固溶處理時間定為90min，固溶溫度分別為470、480、490、500。設(shè)置了兩種時效制度，分別為120×24h和130×20h。組織分析和能譜分析在Cambridge-S250 型掃描電鏡（SEM）上進行，X射線衍射在Philips APD-10型射線衍射儀上完成，強度測試在MTS810力學(xué)性能試驗機上進行。表1合金化學(xué)成分Table1 compositions of alloys（mass fraction，%）ZnMgCuMnAl9.0%3.0%1.5%0.0%Bal.9.0%3.0%1.5%1.0%B

8、al.9.0%3.0%1.5%2.0%Bal.2 試驗結(jié)果及討論2.1 Mn對固溶態(tài)組織的影響圖1是不含錳元素的鋁合金和含錳元素的鋁合金在不同固溶溫度下同一放大倍數(shù)的光鏡照片對比圖。從圖中可以看出，當(dāng)溫度達到480時，不含錳元素的鋁合金已經(jīng)開始出現(xiàn)部分再晶?，F(xiàn)象，而含錳元素的鋁合金在480時晶粒還十分細小，沒有發(fā)生再結(jié)晶。溫度達到490時，不含錳元素的鋁合金出現(xiàn)完全再結(jié)晶，含錳元素的鋁合金出現(xiàn)部分再結(jié)晶。從光鏡照片對比中可以看出，含錳元素的鋁合金晶粒長大速度明顯比不含錳元素鋁合金的晶粒長大速度要慢。從圖中可以得出，錳元素的加入能有效的阻止晶粒長大，從而能夠提高合金的固溶溫度，進而達到在固溶處理

9、過程中使鋁合金中的第二相粒子充分回溶的目的。 （a） 0.0%Mn,480 (b) 0.0%Mn,490 (c) 2.0%Mn,480 (d) 2.0%Mn,490 圖1 固溶態(tài)合金金相組織照片F(xiàn)ig.1 Pictures of metallographic microstructure after solution treatment 圖2為固溶組織掃描電鏡照片。從左圖中可以看出，當(dāng)固溶溫度達到480時，不含錳元素的鋁合金晶內(nèi)的析出相基本上都已經(jīng)回溶，在晶內(nèi)已經(jīng)看不到細小的白色點狀相，只在晶界上尚有少量白色點狀相。通過能譜分析可知，這些晶界上未溶的白色點狀相為富銅相，可知含銅相的溶解溫度較高

10、。含錳鋁合金的掃描電鏡照片如右圖所示，通過能譜可知，在晶界上存在亮白色的富銅相7和方塊狀的含錳相兩種相。根據(jù)有關(guān)文獻報道，如果冷卻速度足夠大，錳在合金中的固溶度能達到9.2%6。但是由于噴射成形過程中冷速不夠，在冷卻過程中，在晶界上析出了含錳相，含錳相的尺寸大約在410µm之間。在擠壓過程中，有部分含錳相被破碎，大部分含錳相的長軸沿擠壓方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，所以從垂直擠壓方向看含錳相只有方塊狀，沒有長條形狀。 （a） 0.0%Mn，480 （b） 2.0%Mn,480圖2 高強鋁合金固溶態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM pictures of high strength aluminum al

11、loy after solution treatment 圖3為含錳量為1.0%的鋁合金固溶處理后的X射線衍射圖。從圖中的XRD分析可以看出，隨溫度升高，鋁合金中的第二相粒子逐漸回溶。當(dāng)固溶溫度達到480時，經(jīng)固溶處理后，MgZn2相已經(jīng)差不多全部溶解在基體中。當(dāng)固溶溫度達到500時，部分Al6Mn相溶解到基體中，同時沿擠壓方向的織構(gòu)消除，晶粒發(fā)生完全再結(jié)晶。從X射線衍射曲線上顯示為在擠壓過程中消失的衍射峰在曲線上重新出現(xiàn)。不含錳鋁合金的X射線曲線和含錳鋁合金的基本相同，就是曲線中沒有MnAl6相。 圖3 含1.0%Mn的高強鋁合金的XRD分析Fig.3 XRD analysis of hig

12、h strength aluminum alloy with 1.0% Mn2.2 合金力學(xué)性能表1所列是485，90min+120，24h固溶、時效處理后的鋁合金拉伸性能測試結(jié)果。從表中可以看出，在加入錳元素后，鋁合金的斷裂強度b和屈服強度0.2都有很大提高，延伸率略有下降。由此可見，目前所制備的錳增韌鋁合金達到了較高的強度水平。通過比較可知，鋁合金強度的提高主要是由于在合金內(nèi)部析出了含錳相。含錳相主要有兩種形態(tài)。一種為在噴射過程中析出的含錳相，這種含錳相尺寸較大，一般為410m，呈長條形，沿晶界析出。一種為熱處理過程中析出的含錳相，這種含錳相尺寸細小，一般不超過1m，呈現(xiàn)晶須狀，在晶內(nèi)析出

13、。少量粗大含錳相對合金性能的影響尚不明確，但如果析出大量粗大含錳相，將會降低合金的性能。當(dāng)錳含量達到2.0%時，由于噴射成形過程中冷速不夠，由于在晶界上析出了大量的大尺寸含錳相，成為合金斷裂的斷裂源，所以鋁合金的拉伸力學(xué)性能有所下降。如何在噴射成形過程中提高錳元素在沉積坯中的固溶度，使錳元素能在后續(xù)熱加工過程中以晶須狀析出，是當(dāng)前研究的一個重點。表2 鋁合金室溫拉伸強度Table2 tensile strength of aluminum alloy on normal temperature 合金UTS/MPaYS/MPa延伸率備注AM207757503.5%485×90min12

14、0×24hAM108037604.0%485×90min120×24hAM006065604.5%485×90min120×24h2.3 合金斷裂行為從圖4（a）中可見，不含錳鋁合金的拉伸件呈現(xiàn)纖維狀延伸斷裂，斷口以微孔聚集而成的韌窩為主，有少量晶界裂紋，顯示斷裂屬于第二相粒子引起的晶內(nèi)斷裂與沿晶斷裂的混合型斷裂8。而在含錳鋁合金中纖維狀組織減少，相對不含錳鋁合金，其沿晶斷裂有所減少。從圖4（c）和圖4（d）中可以看出，含錳鋁合金大部分韌窩為分布均勻的等軸韌窩，直徑約小于1m。不含錳鋁合金韌窩尺寸大部分大于5m。可見，在鋁合金中添加錳元素后能使

15、斷口韌窩尺寸減小。根據(jù)Nam等人的研究結(jié)果9：含Mn沉淀相作為一種位錯不可切割的粒子，它們和位錯的交互作用，阻止了位錯的運動，使得拉伸時硬化指數(shù)明顯提高，同時使得滑移在合金每一個晶粒中均勻發(fā)生以及促使平面滑移向交滑移轉(zhuǎn)變，形成晶粒中均勻分布的細小滑移帶，而不是產(chǎn)生局部的應(yīng)變或應(yīng)力集中，從而使合金維持一個較為恒定一致的延伸率，也隨之使斷口韌窩尺寸減小。對于含有錳元素的鋁合金，在斷口上還分布著一些尺寸為26m的孔洞，是在試樣拉伸過程中，晶界上粗大的含錳相脫離鋁合金基體時導(dǎo)致。從圖4（c）和4（d）中可以看出，當(dāng)錳含量不同時，隨著錳含量的增加，由于粗大的含錳相數(shù)量增加，鋁合金試樣斷口上沿晶斷裂有所增

16、加。 （a） 0.0%Mn （b） 2.0%Mn （c） 1.0%Mn （d） 2.0%Mn圖4 高強鋁合金拉伸斷口（SEM）像Fig.4 Tensile SEM fractographs of high strength aluminum alloy3 結(jié)論1 在高強鋁合金中加入錳元素后在固溶過程中能有效抑制晶粒長大，達到提高固溶溫度，讓第二相粒子充分回溶的目的。2 加入錳元素后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓倘芎蜁r效處理，合金的拉伸性能得到很大提高，但塑性有所下降。3 在鋁合金中添加錳元素能減小韌窩尺寸，降低斷口中沿晶斷裂所占比例，從而改善高強鋁合金的斷口組織形態(tài)，使之有利于提高鋁合金的韌性。但如果晶界上粗

17、大含錳相過多，將會促使沿晶斷裂增加。參考文獻1 Imamura T. J Jpn Light Met, 1999; 49:302(今村次男.輕金屬, 1999; 49:302).2 Lukasak D A, Hart R.M. Adv Mater Processes, 1991;10:463 K.C. Kim, S.W. Nam. Effect of Mn-dispersoids on the fatigue mechanism in an Al-Zn-Mg alloy. Materials Science and Engineering A224（1998）257-262.4 J,1995, Vols.30(5):1313-1320.5 Byeong Ook Kong, Soo Woo Nam. Investigation of growth mechanism and orientation relationship of Mn-dispersoid and Al-Zn-Mg-Mn alloy. Materials Letters 28(1996)385-39