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稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织影响的研究进展

来源期刊:中国有色金属学报2009年第8期

论文作者:宋旼 肖代红 贺跃辉 张福勤

文章页码:1355 - 1365

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;稀土;显微组织;力学性能;

Key words:Al-Cu-Mg-Ag alloy; rare earth; microstructures; mechanical properties

摘    要:Al-Cu-Mg-Ag合金展示了比传统Al-Cu及Al-Cu-Mg合金更加优异的室温与高温力学性能,源于其主要强化相(Ω相)有较好的热稳定性。然而该合金的使用温度仍然低于200 ℃,当温度超过200 ℃时,Ω相的粗化速率急剧增加,容易发生共格失稳而转变为θ相,从而降低合金的高温力学性能。研究表明通过添加合适的稀土或过渡族元素可以有效地抑制Ω相的生长速率,提高Ω相的形核密度和热稳定性,从而提高合金的高温力学性能。综述了Ce、Yb及Sc元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织与力学性能的影响,并探讨了Ce、Yb及Sc元素提高Ω相热稳定性的机理。

Abstract: Al-Cu-Mg-Ag alloys exhibit much better mechanical properties than traditional Al-Cu and Al-Cu-Mg alloys at both room- and elevated temperatures because of the good thermal stability of the main strengthening phase (Ω phase). However, this type of alloys can only be used under 200 ℃. When the temperature is above 200 ℃, the coarsening speed of Ω phase increases dramatically, and Ω phase is very easy to lose coherent with the matrix and changes to θ phase, which substantially decreases the mechanical properties of the alloys at elevated temperature. It is shown that adding proper rare earth or transient elements can substantially inhibit the growth speed of Ω phase, increase the nucleation density and thermal stability of Ω phase, and thus improve the mechanical properties of Al-Cu-Mg-Ag alloys. The effects of Ce, Yb and Sc on the microstructures and mechanical properties of Al-Cu-Mg-Ag alloys were reviewed, and the mechanisms of the effects of Ce, Yb and Sc on the thermal stability of Ω phase were discussed.

基金信息:国家高技术研究发展专项经费资助项目
教育部留学归国人员科研启动项目资助项目
湖南省自然科学基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2009)08-1355-11

稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织影响的研究进展

宋  旼,肖代红,贺跃辉,张福勤

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083)

摘  要:Al-Cu-Mg-Ag合金展示了比传统Al-Cu及Al-Cu-Mg合金更加优异的室温与高温力学性能,源于其主要强化相(Ω相)有较好的热稳定性。然而该合金的使用温度仍然低于200 ℃,当温度超过200 ℃时,Ω相的粗化速率急剧增加,容易发生共格失稳而转变为θ相,从而降低合金的高温力学性能。研究表明通过添加合适的稀土或过渡族元素可以有效地抑制Ω相的生长速率,提高Ω相的形核密度和热稳定性,从而提高合金的高温力学性能。综述了Ce、Yb及Sc元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织与力学性能的影响,并探讨了Ce、Yb及Sc元素提高Ω相热稳定性的机理。

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;稀土;显微组织;力学性能

中图分类号:TG 111.6       文献标识码: A

Research progress of effect of rare earth elements on microstructures of Al-Cu-Mg-Ag alloys

 

SONG Min, XIAO Dai-hong, HE Yue-hui, ZHANG Fu-qin

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

 

Abstract: Al-Cu-Mg-Ag alloys exhibit much better mechanical properties than traditional Al-Cu and Al-Cu-Mg alloys at both room- and elevated temperatures because of the good thermal stability of the main strengthening phase (Ω phase). However, this type of alloys can only be used under 200 ℃. When the temperature is above 200 ℃, the coarsening speed of Ω phase increases dramatically, and Ω phase is very easy to lose coherent with the matrix and changes to θ phase, which substantially decreases the mechanical properties of the alloys at elevated temperature. It is shown that adding proper rare earth or transient elements can substantially inhibit the growth speed of Ω phase, increase the nucleation density and thermal stability of Ω phase, and thus improve the mechanical properties of Al-Cu-Mg-Ag alloys. The effects of Ce, Yb and Sc on the microstructures and mechanical properties of Al-Cu-Mg-Ag alloys were reviewed, and the mechanisms of the effects of Ce, Yb and Sc on the thermal stability of Ω phase were discussed.

Key words: Al-Cu-Mg-Ag alloy; rare earth; microstructures; mechanical properties

                    


Al-Cu-Mg系合金由于有良好的综合性能而被广泛地用作航空航天结构材料。然而该合金主要用于室温,当温度超过100 ℃时,由于其强化相(θ′相,S相)发生粗化而使性能显著下降[1]。POLMEAR等[2?10]发现,在高Cu/Mg质量比例的Al-Cu-Mg合金中加入微量Ag能使合金析出一种新的时效强化相(Ω相)。相对于Al-Cu-Mg合金中的主要强化相(θ′相,S相)来说,Ω相在较高的温度下(可达200 ℃)有着优良的抗粗化性能,从而不仅改善了合金室温和高温力学性能,还提高了合金的高温抗蠕变性能。尽管目前关于Ω相的晶体结构仍然存在争议,但大量的研究均表明Ω相与Al-Cu合金中的典型平衡θ相结构类似,且成分相同[11?31]。实际上,在Ω和θ相的结构模型中其晶格常数的差别非常小,以至于在250 ℃以上的温度下长时间时效将最终使得Ω相被θ平衡相所取代[15]。研究表明:Mg和Ag在Ω相的形核过程中均起到重要的作用,其中Mg是诱发Ω相形核的主要元素,而Ag起到Ω相形核催化剂的作用[11, 32]。当在Al-Cu合金中同时加入Mg和Ag元素时,Mg和Ag元素强烈的相互作用而形成原子簇,使得Mg原子沿基体的{111}面上偏聚(Mg原子簇)。由于Mg原子比Al原子大,Mg原子簇在Al基体中将会产生负畸变区。这种负畸变区的存在,促进了Cu原子沿基体{111}面上偏聚, 以减低给基体带来的晶格畸变,从而使得Mg原子簇成为Ω相的优先形核区域, 抑制了θ′相沿基体{100}面的形核。

大量研究[33?36]表明,Si的存在对Ω相的析出存在不利影响。合金中Mg-Si 原子间的强烈交互作用抑制了Ag-Mg原子团的形成,从而抑制了Ω相的析出。在Mg元素与Si元素相对质量比高时,Ω相形核没有被抑制,但是当Si含量过高时,合金中析出了σ相,Ω相形核被抑制。RAVIPRASAD等[34]在对添加了Ag和Si 的Al-2.5Cu-1.5Mg 进行研究时发现,Ag和Si原子的添加促进了多元原子团的形成;在高温时效过程中,合金沿〈100〉方向析出了针状GPB 区,同时还有X′相和Ω相,但是Ω相不如X′相稳定,在长时间时效后溶解。

尽管Al-Cu-Mg-Ag合金展示了优于Al-Cu及Al-Cu-Mg合金的室温与高温力学性能,但其使用温度不能超过200 ℃。当温度超过200 ℃时,Ω相的粗化速率将急剧增大,使得Ω相迅速发生共格失稳而转化成平衡θ相,从而显著地降低了合金的力学性能。HUTCHINSON等[37]指出:在Ω相应变场的周围可以存在空位或间隙原子以降低弹性应变能,而空位或间隙原子的存在取决于Ω相的厚度。由于Ω相与基体共格,存在周期性的空位错配度,在200 ℃以下空位在Ω相界面的聚集将显著地提高增厚台阶的形核能。当温度超过250 ℃时,增厚台阶的形核势垒降低,原子扩散速率加快,因此Ω相的粗化速率迅速增加。

为进一步提高Al-Cu-Mg-Ag合金的高温力学性能,提高Al-Cu-Mg-Ag合金的使用温度,许多科研   工作者展开了提高Ω相热稳定性的研究。大量的研  究[38?44]表明:通过添加合适的稀土元素可以有效地 提高Ω相的抗粗化性能和热稳定性,从而提高Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能和使用温度。本文作者就Ce、Yb及Sc等稀土元素对Ω相高温抗粗化性能及热稳定性的影响,以及对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能和显微组织的影响作一综合评述。

1  Ce对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织的影响

在所有的稀土元素中,Ce对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能和显微组织影响的研究最多[38?41]。XIAO和SONG等[38?41]均指出:Ce可以有效细化Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织的晶粒,增加Ω相的形核率,并通过阻碍Ω相的长大而提高Ω相的热稳定性,从而提高Al-Cu-Mg-Ag合金的室温与高温力学性能。

图1所示为Ce对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金铸态晶粒度的影响[40]。从图1可以看出:不含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小约为100 μm,而含0.2%Ce(质量分数)的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小为45 μm,含0.45% Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小为30 μm左右,这表明添加微量Ce有利于细化晶粒。同时从图1可看出,含Ce的合金在晶界上有一薄层析出物,背散射电子分析表明,这些析出相是在晶界上生成的复杂稀土化合物。这些化合物中除Al外,还含有Cu、Ce、Mn 和Ag 等元素。Ce细化晶粒的作用除与稀土的变质作用有关外,还可作如下解释:Ce 的原子半径较大(0.18 nm),而Al的原子半径小(0.143 nm),其原子半径差超过15%,使得 Ce 在Al中固溶度低,在共晶温度下,Ce 在纯铝中的最大固溶度低于0.1%[45]。因此,Ce 主要富集在晶界上,或以微小的稀土化合物存在晶内,这些化合物可作为非均匀形核的核心。因此,添加微量的Ce有助于提高结晶的形核数目,从而降低晶粒的尺寸。


图1  Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金的铸态显微组织

Fig.1 As-cast microstructures of Al-5.3Cu-

0.8Mg-0.6Ag: (a) Without Ce; (b) With 0.2% Ce; (c) With 0.45% Ce[40] (with permission of original author)

图2所示为Ce对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185 ℃下人工时效至峰值态显微组织的影响[40]。从图2可以看出,与不含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金相比,含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的尺寸较小、密度和体积分数较大,这表明Ce可以有效地提高Ω相的形核密度并抑制Ω相的生长速率。对于高Cu/Mg质量比例的Al-Cu-Mg-Ag合金来说,在时效的早期,基体的{111}面上分布着大量的Mg/Ag/空位簇,这些原子/空位簇是Ω相非均匀形核的中心[46]。最近的第一原理计算表明:Mg-Ag原子簇必须与Cu结合才能满足在基体的{111}面上稳定存在的力学条件[47],这种Mg-Ag-Cu原子簇即为Ω相的形核中心。当Ce元素加入到合金后,Ce原子通过置换取代基体中的Al原子。当Ce原子以置换形式存在于Al 基体中时,Ce原子周围造成较大的晶格畸变区,固溶处理后,基体中过饱和的空位在Ce 原子周围的偏聚可减小晶格畸变能和空位形成能,因此,在Ce 原子周围可能会形成空位对或空位簇。一些研究工作证实,Al基体中过饱和的空位往往优先沿着{111}密排面结合成空位盘[48],当空位盘足够大时,将塌卸成不全位错,其中包含着层错。这种不全位错在Sukuki气团的作用下,将更多地吸收周围的Mg和Ag 原子,形成更多的Mg/Ag/vacancy 聚合体,这些聚合体成为Ω相形核的核心,从而提高了Ω相的析出密度。早期的研究[38]还指出:Ce可以有效地降低Ω相的形核温度,抑制GP区的形核,从而加速Ω相的形核。 

 

图2 Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185 ℃峰时效态的TEM像

Fig.2  TEM images of Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag alloys after aging to peak aged stage at 185 ℃: (a) Without Ce; (b) With 0.2% Ce; (c) With 0.45% Ce[40](with permission of original author)

图3所示为含与不含Ce的Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185 ℃下人工时效至峰值态后,再在300 ℃下退火处理20和100 h后的显微组织[40]。从图3可以看出,在300 ℃下继续退火处理20 h后,两种合金中的Ω相都仍然为片状,但不含Ce的合金中的Ω相远比含Ce合金中的Ω相要厚。在300 ℃下退火100 h后,不含Ce的合金中的亚稳Ω相已经被稳定的θ沉淀相所取代,而含Ce合金中的亚稳Ω相仍然存在,保持为片状,且片的厚度增加不大,但片的直径出现了显著增加。早期的研究表明:片状析出相的生长机制为台阶机制[23],而关于Ω相台阶形核势垒的研究在早期的文献中已有详细讨论[37?49],即 200 ℃下Ω相优异的抗粗化性能来源于生长台阶的缺乏,这种缺乏主要是由于台阶具有高的形核势垒。HUTCHINSON等[37]指出:在Ω相应变场的周围可以存在空位或间隙原子以降低弹性应变能,而空位或间隙原子的存在取决于Ω相的厚度。由于Ω相与基体共格,存在周期性的空位错配度,因此在250 ℃以下时空位在Ω相的聚集将显著地提高增厚台阶的形核能。当温度超过250 ℃时,增厚台阶的形核势垒降低,原子的扩散速率加快,因此Ω相的粗化速率迅速加快。这种高的粗化速率导致Ω相的尺寸迅速增加,最终与基体发生共格失稳,因此不含Ce的合金中的Ω相在300 ℃下退火100 h后转化为稳定的θ相。然而从图2可以看出,当含有Ce时,Al-Cu-Mg-Ag 合金在300 ℃下退火100 h后Ω相仍然保持为片状,与基体共格,并没有转化为稳定的θ相。这可能由两种机制造成。首先稀土元素Ce可以显著降低Cu元素在Al基体中的扩散速率[40]。由于Ω相的化学组成为Al2Cu,因此Cu元素扩散速率的降低将显著地抑制Ω相的粗化速率。其次由于稀土元素Ce在Al基体中的固溶度较低(即使在共晶温度固溶度也小于0.1%)[50],大量超过固溶度极限的Ce原子在凝固过程中聚集在晶界,而部分过饱和的Ce原子也聚集在Ω相与基体的相界面处以降低自由能。如前所述,Ce原子的半径远大于Al原子的半径,在Ce原子的周围将产生空位以降低弹性应变能,而空位在Ω相与基体界面的聚集将显著的提高增厚台阶的形核势垒,从而降低Ω相的粗化速率,提高了Ω相的热稳定性。

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