简介概要

铝镁钪合金铸锭均匀化过程中的析出特性

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：朱大鹏何振波尹志民聂波姜锋

关键词：铝镁钪合金; 均匀化处理; A13(Sc,Zr)粒子; 析出特性;

摘要：采用半连续铸造制备了成分为Al-6Mg-0.4Mn-0.4(Sc-Zr),规格为300 mm×1000 mm的铝镁钪合金扁锭,研究了均匀化处理对铸态合金硬度、电导率和显微组织的影响.结果表明,铸态合金在均匀化处理过程中,350℃以下均匀化,合金硬度随退火温度升高而升高;350℃以上均匀化,合金硬度和硬度峰值随退火温度上升而降低,电导率则随退火温度的升高和保温时间的延长而单调上升.铸态合金均匀化处理过程中有类似于传统铝合金固溶时效过程中的析出特性,析出相主要为Al3(Sc,Zr),还有少量Al6Mn相粒子.硬度变化是半连续铸锭过程形成的含钪锆过饱和固溶体发生分解析出Al3(Sc,Zr)粒子所致.同时,含钪锆过饱和固溶体的分解析出导致基体固溶度的贫化,降低了合金的电子散射能力,合金的电导率升高.研究合金铸锭均匀化处理过程中Al3(Sc,Zr)粒子的最佳析出工艺为:300～350℃,6～8 h.

稀有金属 2006,(02),213-216 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.020

铝镁钪合金铸锭均匀化过程中的析出特性

尹志民朱大鹏姜锋何振波

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060,湖南长沙410083,湖南长沙410083,湖南长沙410083,湖南长沙410083东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060

摘要：

采用半连续铸造制备了成分为Al-6Mg-0.4Mn-0.4 (Sc-Zr) , 规格为300mm×1000mm的铝镁钪合金扁锭, 研究了均匀化处理对铸态合金硬度、电导率和显微组织的影响。结果表明, 铸态合金在均匀化处理过程中, 350℃以下均匀化, 合金硬度随退火温度升高而升高;350℃以上均匀化, 合金硬度和硬度峰值随退火温度上升而降低, 电导率则随退火温度的升高和保温时间的延长而单调上升。铸态合金均匀化处理过程中有类似于传统铝合金固溶时效过程中的析出特性, 析出相主要为Al3 (Sc, Zr) , 还有少量Al6Mn相粒子。硬度变化是半连续铸锭过程形成的含钪锆过饱和固溶体发生分解析出Al3 (Sc, Zr) 粒子所致。同时, 含钪锆过饱和固溶体的分解析出导致基体固溶度的贫化, 降低了合金的电子散射能力, 合金的电导率升高。研究合金铸锭均匀化处理过程中Al3 (Sc, Zr) 粒子的最佳析出工艺为:300³50℃, 6⁸h。

关键词：

铝镁钪合金;均匀化处理;Al3 (Sc, Zr) 粒子;析出特性;

中图分类号： TG27

作者简介：尹志民 (E-mail:yin-grp@mail.csu.edu.cn) ;

收稿日期：2005-11-12

基金：十五攻关项目 (MKPT-2004-16ZD) 资助;

Precipitation Characteristics of Al-Mg-Mn-Sc-Zr As-Cast Alloy during Homogenization Annealing

Abstract：

300 mm×1000 mm Al-6Mg-0.4Mn-0.4 (Sc-Zr) ingot was produced by semi-continuous casting method. The effect of homogenization annealing on the hardness, electrical conductivity and microstructure of the as-cast alloy was studied. The results show that during homogenization annealing treatment, homogenization below 350 ℃, hardness of the alloy increases with the increasing of homogenization temperature and time, homogenization above 350 ℃, the hardness and hardness peak of the alloy decreases with the increasing of homogenization temperature. The electrical conductivity increases with the increase of annealing temperature and the annealing time. This kind of as-cast alloy has the similar precipitation characteristics, just like that during aging of traditional aluminum alloy, the precipitates mainly are Al₃ (Sc, Zr) and minor Al₆Mn. The variations of hardness and electrical conductivity are due to the decomposition of the supersaturated solid solution containing Sc and Zr which is formed during semi-continuous chilling casting. The precipitation of Al₃ (Sc, Zr) causes the hardness increasing, at the same time, the depletion of the matrix solid solubility decreases the ability of electron scattering and then increases electrical conductivity of the alloy. The best precipitation processing of Al₃ (Sc, Zr) particles for the studied alloy is homogenization at 300～350 ℃ for 6～8 h.

Keyword：

Al-Mg-Sc alloy; homogenization annealing; Al₃ (Sc; Zr) particle; precipitation characteristics;

Received： 2005-11-12

Al-Mg-Mn系合金有中等强度、良好的耐蚀性和可焊性, 在航空、航天工业中得到广泛应用 ^[1] 。随航天、航空、舰船技术的发展, 需要进一步提高这种合金强度。复合添加Sc和Zr到Al-Mg合金中能显著提高合金的强度 ^[2,3,4] 。合金强度的提高主要来源于3个方面:一是初生的Al₃ (Sc, Zr) 粒子产生的细晶强化; 二是半连续激冷铸造的合金在均匀化过程中析出次生Al₃ (Sc, Zr) 粒子产生的析出强化; 三是Al₃ (Sc, Zr) 粒子抑制后续加工热处理过程中的再结晶引起的亚结构强化等 ^[5,6,7] 。由此可见, 研究均匀化处理过程中次生Al₃ (Sc, Zr) 粒子的析出特性有理论和实际的意义。本文以Al-6Mg-0.4Mn-0.4 (Sc-Zr) 合金铸锭为研究对象, 研究铸锭均匀化处理过程中的析出行为及其对合金硬度和电导率的影响, 旨在为优化这类合金的均匀化处理工艺提供理论和实验依据。

1 材料与实验方法

研究用合金采用铸锭冶金法制备, 合金的名义成分为Al-6Mg-0.4Mn-0.4 (Sc+Zr) 。合金熔化精炼后半连续铸造成300 mm×1000 mm的扁锭, 样品取自铸锭中部, 分别在250, 300, 350, 400, 450 ℃温度下进行均匀化处理, 时间为0～12 h。硬度选用HW187.5型布洛维硬度计测定, 电导率采用7051涡流导电仪测定。金相样品经氟硼酸水溶液电解抛光覆膜后用偏光观察。透射电镜样品经机械预减薄后用双喷电解减薄法制备, 电解液为30%硝酸+70%甲醇溶液, 电解减薄温度低于-25 ℃。透射电子显微组织的观察在H-800透射电镜上进行。

2 实验结果

2.1 均匀化处理工艺对合金的硬度的影响

铸态合金硬度随均匀化处理工艺的变化见图1。

从图1可以看出, 合金铸锭均匀化处理过程中有类似于传统铝合金固溶后时效过程中的时效硬化特性。硬化特性与退火温度和时间的关系分为两种情况: 第一, 300 ℃以下均匀化处理, 合金的硬度随退火温度升高和退火时间的延长而增加; 第二, 300 ℃以上均匀化处理时, 合金硬度在1 h达到峰值, 随着退火时间的延长, 硬度下降。与此同时, 硬度峰值随退火温度的升高而降低, 达到硬度峰值的时间随退火温度的升高而缩短。

2.2 均匀化处理工艺对合金导电率的影响

铸态合金电导率随均匀化处理工艺的变化见图2。图2结果表明, 与硬度变化不同, 均匀化处理过程中, 合金的电导率随均匀化处理温度的提高和保温时间增加而单调上升。

2.3 不同均匀化处理态合金的显微组织

对铸态和不同均匀化处理态合金显微组织进行了观察和分析, 典型金相组织和透射电子显微组织见图3和4。

图3金相分析表明, 铸态晶粒尺寸为20～40 μm, 350 ℃保温8 h后晶粒尺寸没有变化, 说明均匀化处理过程中铸态晶粒没有明显的长大。透射电子显微分析结果表明, 铸态合金为单相固溶体组织 (图4 (a) ) ; 250 ℃/8 h均匀化后, 合金基体上开始有第二相粒子析出, 但是析出相粒子密度比较小; 300 ℃/8 h均匀化后基体上有大量第二相粒子析出 (图4 (b) ) , 电子衍射物相分析和双束条件下第二相粒子特有的双叶花瓣状特征表明这种粒子与基体共格, 析出相是Al₃ (Sc, Zr) ; 均匀化处理温度升高到450 ℃时, Al₃ (Sc, Zr) 粒子的分布密度又降低, 与此同时, 基体上还可观察到有片状的Al₆Mn初晶相析出 (图4 (c) ) 。

图1 不同均匀化退火工艺下合金的硬度

Fig.1 Hardness of alloy at different homogenization conditions

图2 不同退火工艺下合金的电导率

Fig.2 Conductivity of alloy at different homogenization conditions

图3 铸态和均匀化处理态合金的金相组织 (a) 铸态; (b) 300 ℃/8 h

Fig.3 Optical microstructures of alloy at homogenization treatment

图4 铸态和均匀化处理态合金的透射电子显微组织 (a) 铸态; (b) 300 ℃/8 h; (c) 450 ℃/8 h

Fig.4 TEM microstructures of alloy at different homogenization treatment

3 分析与讨论

3.1 含钪锆Al-Mg-Mn合金铸锭均匀化工艺

高镁含量的Al-Mg-Mn合金铸锭均匀化通常有3个目的: 第一, 消除凝固过程中的枝晶偏析, 使合金成分分布均匀; 第二, 半连续激冷铸造条件下形成的过饱和固溶体分解析出初晶相Al₆Mn; 第三, 消除铸锭内部的宏观应力。枝晶偏析和宏观应力的消除以及过饱和固溶体的分解析出为热加工过程做好了组织准备, 可大大降低铸锭热加工过程中的变形抗力, 是高镁合金必不可少的工艺过程。为了消除枝晶偏析, 通常均匀化退火温度较高, 时间比较长。以Al-6Mg-0.4Mn合金为例, 铸锭均匀化温度为430～460 ℃, 保温时间为16～24 h。在含钪Al-Mg-Mn-Zr合金的情况下, 合金铸锭不存在枝晶偏析 (图3 (a) ) , 均匀化的目的只是过饱和固溶体分解析出初晶相Al₆Mn, Al₃ (Sc, Zr) 和消除铸锭的宏观应力。因此, 这种合金的均匀化温度比同样镁含量的Al-Mg-Mn合金要低、时间要短。在本实验条件下, 单从粒子析出特性看, 300～350 ℃退火6～8 h即可达到目的。当然, 最佳均匀化处理工艺的制订还应当考虑均匀化工艺对合金最终使用状态力学性能和耐蚀性能的影响, 这方面的工作有待进一步的研究。

3.2 均匀化处理过程中合金硬度变化的原因

Al-6Mg-Mn-Sc-Zr合金在半连续激冷铸造的条件下, 铸锭中形成含Sc, Zr的过饱和固溶体, 这些过饱和固溶体很不稳定, 在随后的均匀化处理过程中进行分解, 析出了大量的Al₃ (Sc, Zr) 第二相粒子 ^[6,7] , 文献 [ 8] 表明, 含钪铝固溶体保温过程中, 经过很短的孕育期后, 就开始以极快的速度进行分解。由于脱溶的Al₃Sc与铝固溶体结构和点阵参数几乎完全一致, Al₃Sc相成核核心的临界尺寸很小, 容易在晶内发生均匀成核。不经过亚稳相阶段而形成极其分散的和稳定的Al₃Sc球形粒子。文献 [ 9] 指出, Al-Mn和Al-Zr与Al-Sc相比, 固溶体分解的孕育期分别高出3～4个数量级。文献还指出, Mn对铝合金固溶体分解析出影响不大, 但是Zr却对铝合金固溶体分解有明显的影响。 Al₃Sc和Al₃Zr相可互溶, 溶入Zr原子后的Al₃ (Sc, Zr) 与Al₃Sc具有相同的点阵结构, 但粒子更为稳定。

另一方面, 从实验结果可知, 300 ℃以上均匀化随着退火温度的升高, 合金达到硬度峰值的时间缩短, 而相应的硬度峰值则是先升后降, 这一点与传统铝合金中的析出行为相同。在退火过程的开始阶段, 析出相与基体共格, 位错切割析出相粒子, 屈服应力的大小取决于切割析出相所需的应力, 随退火过程的进行, 脱溶相体积分数及尺寸均匀增加, 切割所需的应力也增大, 合金硬度进一步增加。提高均匀化处理温度和延长均匀化处理时间, 过饱和固溶体分解析出过程加剧, 达到硬度峰值的时间随之缩短, 与此同时, 粒子粗化, Al₃ (Sc, Zr) 析出相的体积分数减小, 硬度峰值会下降。实验结果表明, 合金铸锭在300～350 ℃下均匀化6～8 h, 粒子的析出特性较好。

3.3 均匀化处理过程中导电性变化的原因

均匀化处理过程中, 激冷铸造的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金过饱和固溶体分解, 从基体中析出弥散Al₃ (Sc, Zr) 第二相粒子, 按Mathiessen的电导理论 ^[10] , 合金的电阻率可表示如下:

ρ=ρ₀+Δρ_固溶+Δρ_析出+Δρ_空位+Δρ_位错+Δρ_晶界

文献 [ 10] 表明, 对电阻率影响最大的是Δρ_固溶, 其次为Δρ_析出, Δρ_晶界, Δρ_空位, Δρ_位错。固溶在铝基体中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比沉淀析出的第二相引起的散射作用强得多。因而在总体上, 粒子析出过程中合金的电导率会提高。激冷铸造过程中Mg, Mn, Sc, Zr元素大部分固溶到Al基体中, 使Δρ_固溶项增大, 且此时Δρ_空位项也较大, 合金电导率低。均匀化处理过程中, 过饱和固溶体发生分解析出Al₃ (Sc, Zr) , 一方面固溶体贫化, Δρ_固溶减小; 另一方面, 析出的Al₃ (Sc, Zr) 粒子对电子运动产生附加散射, 形成Δρ_析出, 相比之下, Δρ_固溶的下降比Δρ_析出要大, 总体而言, 随Al₃ (Sc, Zr) 的析出, 合金的电导率上升。提高均匀化退火和延长均匀化处理时间, 过饱和固溶体分解析出就愈充分, 基体的过饱和程度也愈低, Al₃ (Sc, Zr) 粒子析出越多, 合金的电导率提高得也越多。

4 结论

1. 铸锭均匀化过程中有类似于传统铝合金固溶后时效过程中的析出特性, 即半连续急冷铸造过程中形成的过饱和固溶体会分解析出纳米级的Al₃ (Sc, Zr) 相。 300 ℃以下均匀化, 合金硬度随着均匀化温度和时间单调上升; 300 ℃以上均匀化, 合金的硬度先升而后降, 硬度峰值随着均匀化温度升高而降低。

2. 均匀化处理过程中合金的电导率随均匀化温度的升高和保温时间的延长而增加。合金电导率的升高是由于含钪、锆过饱和固溶体的分解和基体固溶度的降低所致。

3. 合金铸锭均匀化过程中Al₃ (Sc, Zr) 粒子的最佳析出温度为300～350 ℃, 时间为6～8 h。