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铈对Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金时效析出与显微组织的影响

来源期刊:中国有色金属学报2007年第5期

论文作者:肖代红 陈康华 宋旼

文章页码:669 - 669

关键词:铝合金;铈;时效析出;显微组织

Key words:aluminum alloy; cerium; precipitation; microstructure

摘    要:

通过铸锭冶金及形变热处理,制备了不同铈含量的Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金。采用金相观察、差热分析、扫描电镜及透射电镜研究了添加铈对合金的时效析出过程及显微组织的影响。结果表明:添加铈能显著细化铸态合金的晶粒,使平均晶粒尺寸由93 μm减小至30 μm,还可以加速挤压态合金的时效硬化过程,提高硬化水平,使最大硬度提高10%以上;此外,添加铈可缩短合金的峰时效时间,降低主要强化析出相—Ω相的析出温度,同时,也降低Ω相的直径,提高其析出体积分数及其在200~300 ℃时的高温热稳定性。

Abstract: Al-Cu-Mg-Mn-Ag alloys with different cerium contents were prepared by ingot metallurgy and thermomechanical treatment. The effect of cerium addition on the precipitation and microstructure of alloys was investigated by optical microscopy, differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results show that the cerium addition refines the grains of casting alloys and the average grain size decreases from 93 μm to 30 μm. Trace element cerium addition accelerates the aging hardening process of extruded alloys, increases the maximum hardness of alloys by about 10%, and decreases the precipitation temperature of Ω phase. Moreover, the addition of Ce into Al-Cu-Mg-Mn-Ag alloy decreases the size of Ω phase, and improves the density and thermal stability of Ω phase between 200 ℃ and 300 ℃.

基金信息:国家重点基础研究发展计划资助项目



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文章编号:1004-0609(2007)05-0669-07

铈对Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金时效析出与显微组织的影响

肖代红,陈康华,宋  旼

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083)

 

摘  要:通过铸锭冶金及形变热处理,制备了不同铈含量的Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金。采用金相观察、差热分析、扫描电镜及透射电镜研究了添加铈对合金的时效析出过程及显微组织的影响。结果表明:添加铈能显著细化铸态合金的晶粒,使平均晶粒尺寸由93 μm减小至30 μm,还可以加速挤压态合金的时效硬化过程,提高硬化水平,使最大硬度提高10%以上;此外,添加铈可缩短合金的峰时效时间,降低主要强化析出相—Ω相的析出温度,同时,也降低Ω相的直径,提高其析出体积分数及其在200~300 ℃时的高温热稳定性。

关键词:铝合金;铈;时效析出;显微组织

中图分类号:TG 146.21       文献标识码:A

Effect of cerium addition on precipitation and microstructure of Al-Cu-Mg-Mn-Ag alloys

XIAO Dai-hong, CHEN Kang-hua, SONG Min

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

Abstract: Al-Cu-Mg-Mn-Ag alloys with different cerium contents were prepared by ingot metallurgy and thermomechanical treatment. The effect of cerium addition on the precipitation and microstructure of alloys was investigated by optical microscopy, differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results show that the cerium addition refines the grains of casting alloys and the average grain size decreases from 93 μm to 30 μm. Trace element cerium addition accelerates the aging hardening process of extruded alloys, increases the maximum hardness of alloys by about 10%, and decreases the precipitation temperature of Ω phase. Moreover, the addition of Ce into Al-Cu-Mg-Mn-Ag alloy decreases the size of Ω phase, and improves the density and thermal stability of Ω phase between 200 ℃ and 300 ℃.

Key words: aluminum alloy; cerium; precipitation; microstructure

                    

 


Al-Cu-Mg系合金因具有较高的强度和良好的热强性,被广泛用做航空航天结构材料,如2618Al与2219Al,但该合金系主要用于100 ℃以下的工作环境,当温度超过100 ℃时,因强化相急剧粗化而使其性能快速下降[1]。近年来,人们尝试采用机械合金化及快速凝固等工艺开发了新型的耐热铝合金[2-3],但这些方法因工艺复杂、生产成本较高而难以推广使用。为了降低生产成本,进一步提高工作温度,有必要研究开发新型耐热铝合金制备工艺。含Ag的挤压态Al-Cu-Mg合金在时效过程中,会析出特殊的强化相—Ω相(Al2Cu),该相比S′(Al2CuMg)相和θ′(Al2Cu)更为稳定,从而使得这类合金在150~200 ℃范围内,耐热性能明显高于2618Al和2219Al合金,有望成为新一代铸锭冶金的高性能耐热铝合金 [1, 4-6]

稀土在铝及铝合金中的应用研究中已经取得了明显的效果。研究显示[7-11],在铝合金中添加少量稀土元素可起到变质与细化组织的作用,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具有显著影响,如在ZL401和ZL206合金中增加4%~6%的稀土,能使铸态铝合金的使用温度得到提高。

文献[12-13]表明,在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加稀土铈,能改善该合金铸态时的耐热性能。然而,关于添加铈对Al-Cu-Mg-Ag合金耐热性能的影响机制还缺乏进一步研究,因此,本文作者采用真空熔炼铸造及形变热处理的方法,制备了不同铈含量的Al-5.3Cu- 0.8Mg- 0.5Mn-0.6Ag(质量分数,%)合金,并通过显微组织观察与分析,对铈的作用机制进行了详细探讨。

1  实验

以Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.6Ag(质量分数,%)合金为基础,分别添加0%Ce(合金1)、0.2%Ce(合金2)、0.45%Ce(合金3)。原材料采用Al-Ce中间合金、A00纯铝、工业纯镁、电解铜、电解锰以及白银等形式加入。合金通过真空熔炼在氩气保护下浇铸成圆锭,500 ℃匀化退火后在400 ℃以挤压比为10的工艺热挤压成棒材;合金的淬火时效工艺采用525 ℃淬火(水冷),分别在室温与185 ℃进行时效处理。将185℃峰时效处理后的样品继续在185~300 ℃的不同温度下进行保温处理,然后再研究其显微组织的热稳定性。为了确定高温拉伸过程中显微组织的变化,将经过峰时效处理的样品加工成d5 mm×25 mm棒状标样,在室温到300℃进行短时拉伸(即快速升温到测试温度,再保温30 min后拉伸,拉伸应变速度为0.5 mm/min),使之变形10%,然后停止拉伸,在试样的缩颈处附近取样做透射电镜分析。

在NEOPHOT-2型光学显微镜上对铸态组织进行观察。采用S-520扫描电镜分析铸态组织的晶界析出相。对固溶淬火态合金进行DSC分析,以探讨合金的时效过程,所用仪器为差示扫描量热仪(DSC-5P)。合金硬度在HV-50维氏计上检测。采用JEM-100CX型透射电镜上进行显微分析,薄膜试样制备采用电解双喷减薄,电解液为30%硝酸和70%甲醇混合液。

2  结果

图1所示为3种合金在铸态下的金相显微组织,合金1的平均晶粒大小为93 μm,基体中存在细小的颗粒物,能谱分析表明是CuAl2化合物;合金2的晶粒明显变小,平均晶粒大小为45 μm;合金3的平均晶粒大小降为30 μm左右,表明添加微量Ce有利于细化晶粒。同时也看到,合金2与合金3中的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。

图1  3种铸态合金的金相显微组织

Fig.1  Optical microstructures of as-cast alloys: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3

挤压态合金经过固溶和淬火处理后,分别在室温和185 ℃进行自然时效和人工时效,结果如图2所示。在自然时效下(图2(a)),随着Ce含量的增加,合金初始硬化速率加快,约45 h后,硬度增加变缓。经过  140 h后,3种合金的硬度基本均保持不变,此时合金1为HV119,合金2为HV123,而添加0.45%Ce的合金3则为HV131。相对于合金1,含稀土Ce的合金的HV提高了近10%。

在185 ℃人工时效时(图2(b)),Ce的微合金化也影响合金的时效过程。微量Ce加速合金的初始硬化速率,经过约420 min保温处理,合金2和合金3达到峰时效,峰硬度分别为HV174和HV180,而合金1则需要经过740 min左右才能达到峰时效状态,其峰硬度也只有HV160。同时可注意到,添加Ce的合金2与合金3在人工时效下,其峰硬度与峰时效时间变化并不显著,表明过多增加Ce的含量并不明显影响合金的时效硬化过程。

图2  合金在室温时的自然时效和185 ℃时的人工时效硬化曲线

Fig.2  Hardness curves of present alloys: (a) Natural aging at room temperature; (b) Artificial aging at 185 ℃

合金1与合金3经过固溶淬火处理后,进行加热DSC测试(图3)。结果表明,合金中均显示出一个较强的放热峰A。其中,合金3的放热峰A明显向低温方向移动,峰温度从合金1的257 ℃降低到225 ℃。由文献可知[14],峰A对应于Ω相的析出,峰位的移动表明Ω相的析出加速,反映在时效硬化曲线上,则显示时效加速,峰时效时间缩短。

图3  淬火态合金1与合金3的DSC曲线

Fig.3  DSC curves of as-quenched alloys 1 and 3 at scanning rate 10 ℃/min

对经过185 ℃峰时效处理的合金沿入射电子束<112>α方向进行透射电镜观察(图4),3种合金在峰时效状态下均析出了片状的Ω相和少量θ′相,Ω相在{111}α上析出,而θ′相在{100}α上析出,表明Ce的添加并不改变析出相的种类。但观察表明,Ce的添加使Ω相的平均直径(侧向长度)从76 nm降为63 nm和58 nm,提高了Ω相的析出密度(体积分数);同时,晶界组织的观察表明,合金中未添加Ce时,合金1的晶界上析出的是θ′相,因为θ′相易在晶界及位错等缺陷上形核;当合金中添加Ce后,晶界上存在不连续分布的稀土化合物,表明合金中部分Ce以稀土化合物的形式存在于晶界上;另外也发现晶内有细小的颗粒物,这是由于合金中存在着一些未完全固溶的θ(CuAl2)相。

图4  3种合金在185 ℃峰时效下的TEM像及SAED花样

Fig.4  TEM micrographs and SAED patterns of alloys 1, 2 and 3 in peak-aged state: (a), (b): Alloy 1; (c), (d): Alloy 2; (e),    (f): Alloy 3

将经过峰时效处理后的3种合金在200~300 ℃继续保温处理后进行TEM测试。结果显示,在200 ℃保温100 h后,3种合金的强化相均由Ω相组成,而且与峰时效比较发现,Ω相均发生不同程度的长大,此时合金1、合金2及合金3中Ω相的平均直径(即侧向长度)分别为221、153和151 nm,同时通过分析发现,θ′相已不存在,表明Ω相的长大是通过消耗θ′相来实现。

峰时效处理后的合金经300 ℃处理20 h后,在TEM下进行观察,如图5所示,合金1中除了Ω相发生长大外(其平均直径为214 nm),还出现了块状的θ相,该相与基体成非共格关系(见图5(a))。添加微量Ce的合金2与合金3中,析出相仍然是Ω相,虽然同样发生长大,但平均直径仅分别为185 nm和180 nm。3种合金经过185 ℃峰时效后,在300 ℃保温处理100 h,TEM分析显示,合金1中析出相为大块的θ相,该相与基体成非共格关系。添加0.2%Ce的合金2中,Ω相仍然存在,但已明显发生长大,而θ′相已不再析出;同时也出现部分θ相,表明部分Ω相及全部θ′相转化成了θ相。在合金3中,明场像及选区电子衍射表明,θ′相不再析出,只有Ω相及少量的θ相(见图5(b)和(c))。

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