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Al-Cu-Mg-Ag-(Sc)合金的显微组织与腐蚀性能

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2009年第5期

论文作者:肖代红 黄伯云 陈康华

文章页码:1252 - 1258

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;钪;显微组织;腐蚀性能;

Key words:Al-Cu-Mg-Ag alloys; scandium; microstructure; corrosion properties

摘    要:采用铸锭冶金工艺,制备不同钪含量的Al-Cu-Mg-Ag合金。通过金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、晶间腐蚀及剥落腐蚀等实验方法,研究钪对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金的组织和腐蚀性能影响。结果表明:添加0.3%~0.5% Sc可明显细化铸态合金的晶粒,平均晶粒尺寸从300 μm降低到60 μm,而添加0.1%~0.3% Sc有助于提高挤压态合金抗腐蚀性能。但当添加0.5% Sc时,合金中形成粗大的Al3(Sc, Zr)稀土化合物相,导致合金的抗蚀性能降低。

Abstract: The Al-Cu-Mg-Ag alloys with different scandium contents were prepared by ingot metallurgy technology. The effect of scandium addition on microstructure and corrosion properties of Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag-0.2Zr alloy was investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), intergranular corrosion and exfoliation corrosion. The result shows that 0.3%-0.5% Sc addition refines the grains of the casting alloys and the average grain size decreases from 300 μm to 60 μm. Increasing Sc content from 0.1% to 0.3% increases corrosion-resistance properties of the extruded alloys. However, the coarsening Al3(Sc, Zr) compounds in the extruded alloys with 0.5% Sc decrease corrosion-resistant properties seriously.

基金信息:中国博士后科学基金资助项目
中南大学博士后科学基金资助项目
中国博士后特别资助科学基金资助项目



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Al-Cu-Mg-Ag-(Sc)合金的显微组织与腐蚀性能

肖代红,黄伯云,陈康华

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙,410083)

摘  要:采用铸锭冶金工艺,制备不同钪含量的Al-Cu-Mg-Ag合金。通过金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、晶间腐蚀及剥落腐蚀等实验方法,研究钪对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金的组织和腐蚀性能影响。结果表明:添加0.3%~0.5% Sc可明显细化铸态合金的晶粒,平均晶粒尺寸从300 μm降低到60 μm,而添加0.1%~0.3% Sc有助于提高挤压态合金抗腐蚀性能。但当添加0.5% Sc时,合金中形成粗大的Al3(Sc, Zr)稀土化合物相,导致合金的抗蚀性能降低。

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;钪;显微组织;腐蚀性能

中图分类号:TG 146.21         文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2009)05-1252-07

Microstructure and corrosion properties of Al-Cu-Mg-Ag-(Sc) alloys

XIAO Dai-hong, HUANG Bai-yun, CHEN Kang-hua

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

Abstract: The Al-Cu-Mg-Ag alloys with different scandium contents were prepared by ingot metallurgy technology. The effect of scandium addition on microstructure and corrosion properties of Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag-0.2Zr alloy was investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), intergranular corrosion and exfoliation corrosion. The result shows that 0.3%-0.5% Sc addition refines the grains of the casting alloys and the average grain size decreases from 300 μm to 60 μm. Increasing Sc content from 0.1% to 0.3% increases corrosion-resistance properties of the extruded alloys. However, the coarsening Al3(Sc, Zr) compounds in the extruded alloys with 0.5% Sc decrease corrosion-resistant properties seriously.

Key words: Al-Cu-Mg-Ag alloys; scandium; microstructure; corrosion properties

                    

Al-Cu-Mg系合金因具有较高的强度和良好的热强性,被广泛用作航空航天结构材料,但该合金系主要用于100 ℃以下的工作环境。当温度超过100 ℃ 时,因强化相粗化而使其性能下降[1]。为提高其耐热性能,采用微合金化,在合金中添加少量Ag,在时效过程中,产生特殊的强化析出相即Ω相,从而使合金具有较好的耐热性能[1-6]。在铝合金中添加少量的稀土元素可起到变质、细化组织的作用,而当添加量足以生成金属间化合物或构成固溶强化时,则对提高铝合金的耐热性能有显著作用[7-9]。稀土Sc作为一种有效的合金化元素,人们对其纯铝[9-10]、Al-Mg系[11-13]及Al-Zn-Mg-Cu系[14-17]中的作用进行了大量的研究。Li等[18]通过在Al-Cu- Mg-Ag合金中添加0.32% Sc,发现Sc能明显细化铸态合金的晶粒,但他们并没有就Sc对其挤压态合金的组织与腐蚀性能影响进行研究。为此,本文作者采用铸锭冶金工艺,研究微量Sc对Al-5.3Cu-0.8Mg- 0.6Ag-0.2Zr合金组织与腐蚀性能的影响。

1  实  验

以Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag-0.2Zr合金为基础,添加不同含量的Sc(见表1),其中,稀土Sc及Zr采用中间合金形式加入,而其他的元素均采用高纯物的形式加入。合金采用中频感应熔炼法熔炼,并用C2Cl6精炼后浇铸成圆锭,铸锭在500 ℃均匀化退火处理后,热挤压成棒材,合金的淬火时效工艺采用525 ℃淬火(水冷),于185 ℃时效。

时效处理后,挤压态合金的晶间腐蚀试验按照标准GB 7998—87进行。腐蚀介质为1 L NaCl溶液添加10 mL的H2O2溶液,再添加质量分数为3%的NaCl溶液和30% H2O2溶液混合配制而成,合金面积容积比为2 dm2/L,试验温度为35 ℃。而剥落腐蚀实验参照HB 5455—90标准进行。腐蚀介质采用标准EXCO溶液:4 mol/L NaCl+0.4 mol/L KNO3+0.1 mol/L HNO3,试验温度为25 ℃,合金面积容积比为15 mL/cm2,对其腐蚀性能进行测试后,根据标准进行评级。

在NEOPHOT-2型光学显微镜上对铸态组织进行观察,试样采用混合酸腐蚀。采用JSM-6360LV扫描电镜分析组织。时效态合金的显微分析在JEM-100CX及TecnaiG220透射电镜上进行,薄膜试样采用电解双喷减薄,电解液为30%硝酸和70%甲醇的混合液。

表1  试验合金的名义成分

Table 1  Nominal compositions of present alloys

2  实验结果

2.1  Sc对铸态合金显微组织的影响

铸态合金的显微组织见图1。可见,未添加稀土Sc的合金1,平均晶粒尺寸超过300 μm(图1(a)),呈现出明显的树枝状组织。当添加0.1% Sc时,合金2同样具有树枝状晶胞组织,晶粒尺寸相对合金1并没有发生明显改变(图1(b)),表明添加0.1% Sc并不能起到晶粒细化的作用,其原因是Sc在铝中的固溶度超过了0.1%,少量Sc固溶在铝基体中。当添加0.3%~0.5% Sc时(图1(c)与图1(d)),合金的组织呈现出等轴状晶粒,晶粒尺寸明显变小,其平均尺寸为60 μm。同时,合金4与合金3的晶粒尺寸没有明显的差别,而SEM观察显示(见图2),在合金4中出现粗大的花瓣状化合物(图2(a)),EDX测试显示,其为Al3(Sc, Zr)相,这种化合物相在均匀化处理过程中,并不发生溶解。

(a) 合金1;(b) 合金2;(c) 合金3;(d) 合金4

图1  铸态合金的显微组织

Fig.1  Microstructures of as-cast alloys

2.2  Sc对挤压态合金显微组织的影响

4种合金经过热挤压后,沿挤压方向的显微组织如图3所示。可见,合金1与2均具有明显的纤维状组织,晶粒较为粗大,而合金3与4晶粒尺寸明显降低,但合金4中有粗大的粗生Al3(Sc, Zr)相粒子(图3(d)),这些粒子沿挤压方向分布。

(a) 扫描电镜图像; (b) 能谱图像

图2  铸态合金4的扫描电镜像

Fig.2  SEM image of as-cast alloy 4

(a) 合金1;(b) 合金2;(c) 合金3;(d) 合金4

图3  挤压态合金的显微组织

Fig.3  Microstructures of extruded alloys

对挤压态合金1与3经过525 ℃固溶淬火及185 ℃时效10 h后,进行TEM分析(图4)。2种合金中的主要析出相均为Ω相,该相呈片状,在{111}Al上形核析出,可见,添加Sc并不改变强化析出相的种类。暗场相分析结果表明,合金3中析出相的平均直径为51 nm,低于合金1的平均直径(为76 nm),表明合金中添加微量稀土Sc后,其析出相得到了细化,而密度则提高。

(a) 合金1;(b) 合金3;(c) 合金1的晶界;(d) 合金3的晶界

图4  合金1及合金3于185 ℃时效10 h后的TEM像

Fig.4  TEM images of alloy 1 and alloy 3 after aging for 10 h at 185 ℃

TEM观察也显示(图4(b)),在合金3的晶粒内部有弥散的Al3(Sc, Zr)相,其平均尺寸为10~100 nm。该相是由于在固溶过程中,部分Sc固溶在铝基体中,淬火后与基体中的Al和Zr发生作用形成弥散粒子析出。对晶界进行TEM观察显示(图4(c)和4(d)),合金1的晶界连续析出θ(Al2Cu)相,形成的无沉淀析出带(PFZ区)比较宽。相反,合金3的晶界析出是非连续析出,晶界析出相是θ(Al2Cu)相,表明添加微量的Sc使合金中的晶界析出得到改善。

2.3  Sc对挤压态合金腐蚀性能的影响

对不同钪含量的挤压态合金经过185 ℃时效10 h后进行腐蚀性能测试。晶间腐蚀测试结果如图5所示。可见,合金1的晶间腐蚀最大深度为75 μm,添加0.1% Sc合金的相应腐蚀深度降低到52 μm,而当添加0.3% Sc时,晶间腐蚀最大深度降低到40 μm,表明添加0.1%~0.3% Sc提高了晶间腐蚀抗力。然而,当添加0.5% Sc时,腐蚀最大深度又提高到73 μm,表明过多地增加Sc,对晶间腐蚀不利。

(a) 合金1;(b) 合金2;(c) 合金3;(d) 合金4

图5  不同钪含量合金的在晶间腐蚀后的显微组织

Fig.5  Microstructures of present alloys after intergranular corrosion testing

表2  合金在EXCO溶液中浸泡不同时间后的剥落腐蚀等级评价

Table 2  Corrosion grades of present alloys after EXCO-test

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