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复合添加Zr、Cr和Pr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2010年第2期

论文作者:陈康华 方华婵 陈祥

文章页码:195 - 201

关键词:Al-Zn-Mg-Cu合金;微观组织;Pr;力学性能;腐蚀性能;

Key words:Al-Zn-Mg-Cu alloys; microstructure; praseodymium; mechanical properties; corrosion properties

摘    要:采用铸锭冶金法制备Al-Zn-Mg-Cu-Zr、Al-Zn-Mg-Cu-Cr-Pr和Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Pr 3种合金,通过金相显微、扫描电镜和透射电镜观察以及拉伸性能、极化曲线、应力腐蚀和剥落性能的测试,研究复合添加Zr、Cr和Pr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响。结果表明:复合添加Zr、Cr和Pr可有效抑制Al-Zn-Mg-Cu合金回复过程中亚晶的合并和长大,显著抑制再结晶,提高合金抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀的性能;与单独添加Zr的合金相比,复合添加Zr、Cr和Pr的合金断裂韧性KC从23.3 MPa·m1/2提高到29.3 MPa·m1/2,合金应力腐蚀开裂界限应力强度因子KSCC由10.9 MPa·m1/2提高到24.5 MPa·m1/2,合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率都略有提高。

Abstract: Three kinds of alloys Al-Zr-Mg-Cu-Zr, Al-Zn-Mg-Cu-Cr-Pr and Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Pr were prepared by cast metallurgy. The effects of Zr, Cr and Pr additions on the microstructure and properties of Al-Zn-Mg-Cu alloys were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, tensile test, polarization curve measurement, stress corrosion and exfoliation corrosion test. The results show that the combined additions of Zr, Cr and Pr to the Al-Zn-Mg-Cu alloys effectively retard the mergence and growth of the sub-grain during the recovery process, significantly inhibits the recrystallization of Al matrix, thus enhances the resistance to stress corrosion and exfoliation corrosion. Compared with the Al-Zn-Mg-Cu alloy added with Zr, the complex additions of Zr, Cr and Pr into the Al-Zn-Mg-Cu alloy remarkably increase the fracture toughness (KC) from 23.3 MPa·m1/2 to 29.3 MPa·m1/2, and enhance the resistance to stress corrosion cracking (KSCC) from 10.9 MPa·m1/2 to 24.5 MPa·m1/2, yield strength and elongation of the alloys all increase a little.

基金信息:国家重点基础研究发展计划资助项目
国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金资助项目
国家自然科学基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)02-0195-07

复合添加Zr、Cr和Pr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和

性能的影响

陈康华,方华婵,陈  祥

 (中南大学 粉末冶金研究院,长沙 410083)

摘  要:采用铸锭冶金法制备Al-Zn-Mg-Cu-Zr、Al-Zn-Mg-Cu-Cr-Pr和Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Pr 3种合金,通过金相显微、扫描电镜和透射电镜观察以及拉伸性能、极化曲线、应力腐蚀和剥落性能的测试,研究复合添加Zr、Cr和Pr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响。结果表明:复合添加Zr、Cr和Pr可有效抑制Al-Zn-Mg-Cu合金回复过程中亚晶的合并和长大,显著抑制再结晶,提高合金抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀的性能;与单独添加Zr的合金相比,复合添加Zr、Cr和Pr的合金断裂韧性KC从23.3 MPa?m1/2提高到29.3 MPa?m1/2,合金应力腐蚀开裂界限应力强度因子KSCC由10.9 MPa·m1/2提高到24.5 MPa·m1/2,合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率都略有提高。

关键词:Al-Zn-Mg-Cu合金;微观组织;Pr;力学性能;腐蚀性能

中图分类号:TG 146.4       文献标识码:A

Effects of Zr, Cr and Pr additions on microstructure

and properties of Al-Zn-Mg-Cu alloys

 CHEN Kang-hua, FANG Hua-chan, CHEN Xiang

 (Institute of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Three kinds of alloys Al-Zr-Mg-Cu-Zr, Al-Zn-Mg-Cu-Cr-Pr and Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Pr were prepared by cast metallurgy. The effects of Zr, Cr and Pr additions on the microstructure and properties of Al-Zn-Mg-Cu alloys were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, tensile test, polarization curve measurement, stress corrosion and exfoliation corrosion test. The results show that the combined additions of Zr, Cr and Pr to the Al-Zn-Mg-Cu alloys effectively retard the mergence and growth of the sub-grain during the recovery process, significantly inhibits the recrystallization of Al matrix, thus enhances the resistance to stress corrosion and exfoliation corrosion. Compared with the Al-Zn-Mg-Cu alloy added with Zr, the complex additions of Zr, Cr and Pr into the Al-Zn-Mg-Cu alloy remarkably increase the fracture toughness (KC) from 23.3 MPa?m1/2 to 29.3 MPa?m1/2, and enhance the resistance to stress corrosion cracking (KSCC) from 10.9 MPa·m1/2 to 24.5 MPa·m1/2, yield strength and elongation of the alloys all increase a little.

Key words: Al-Zn-Mg-Cu alloys; microstructure; praseodymium; mechanical properties; corrosion properties

由于Al-Zn-Mg-Cu合金具有较高的强度和较低密度,已被广泛应用于航空航天领域。研究其微观组织与性能的关系[1?2]及实现其强度与韧性、强度与耐蚀性能的良好结合一直是超高强铝合金研究的热点[3?9]。微合金化是调节合金微观组织获得优良综合性能最有效的方法之一。

在Al-Zn-Mg-Cu合金发展的前期,人们通过添加微量Cr和Mn形成铝化物弥散相抑制再结晶,但由于此类弥散相与基体不共格,且较粗大,因此,抑制再结晶效果不够理想。之后,人们采用添加微量Zr替代Cr和Mn,形成与基体共格的亚稳L12型Al3Zr相,提高了合金的抗再结晶阻力,提高合金的强度、韧性及抗腐蚀性能[10?11]。但由于Al3Zr弥散相在合金中的不均匀分布导致Zr的偏析[12],且经过一定时间处理Al3Zr弥散相会失去共格性而变成稳定的DO23型Al3Zr平衡相[13],因此抑制再结晶的效果有限。20 世纪60年代初,前苏联研究者发现在铝合金中添加微量Sc,能形成与基体共格的Al3Sc弥散相,细化晶粒并显著提高铝合金的强度[14?16]。进一步添加微量Zr,能形成比Al3Sc弥散相更细小且更稳定的Al3(Sc, Zr)弥散相,更大程度上保持抗再结晶效应和强化效应[17-19]。Sc和Zr微合金化是目前改善铝合金综合性能最有效的方法,受到国际材料界的重视, 引起各国研究者极大的兴趣,对其进行广泛而深入研究。但由于Sc的价格昂贵,使其在现阶段难以广泛应用。因此,人们一直致力于寻找新的有效元素来替代Sc。近年来,聂作仁等[20]通过添加微量Er,形成与基体共格的Al3Er弥散相,从而细化晶粒,显著抑制基体再结晶,提高合金的强度和综合性能。

                                 

稀土与过渡族元素在铝合金中可形成CeCr2Al20晶体结构(立方结构,点阵常数a=(1.27±0.05) nm,空间群为Fd3m)的化合物[21],起到弥散相作用。本课题组的前期研究[22]发现,在Al-Zn-Mg-Cu合金中复合添加过渡族元素Zr、Cr和稀土元素Yb,形成CeCr2Al20晶体结构的含Zr的YbCr2Al20新型多元铝化物弥散相,这种新型多元弥散相能显著抑制再结晶,提高Al-Zn-Mg-Cu合金强度、断裂韧性和应力腐蚀抗力。在铝中复合添加过渡族元素Zr、Cr和稀土元素La,也可形成含Zr的LaCr2Al20新型多元铝化物弥散相,显著抑制铝的再结晶[23]。本文作者采用稀土元素Pr替代Yb和La,研究复合添加Zr、Cr和Pr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响。

1  实验

合金名义成分如表1所列。采用高纯铝(纯度为99.9%)、工业纯镁(纯度为99.9%)和工业纯Zn(纯度为99.9%)为原料,合金元素Cu、Zr、Cr和Pr以中间合金形式加入。熔炼温度为700~740 ℃,浇注在直径45 mm的铁模中,模具温度为220~240 ℃。铸锭经465 ℃均匀化处理24 h后,在500 t压机上热挤压成棒材,挤压比为12.2。挤压试样在电阻炉中进行固溶处理,采用逐步升温固溶,即450 ℃保温1 h,然后升温至470 ℃保温1 h,再升温至480 ℃保温2 h,冷水淬火,之后进行T6峰时效(130 ℃,24 h)。

表1  铝合金的名义化学成分

Table 1  Nominal compositions of aluminum alloys (mass fraction, %)

样品机械抛光后用铬酸腐蚀,在光学金相显微镜下观察样品亚晶组织,经氟硼酸水溶液电解抛光复膜,置于偏振光下观察合金再结晶现象。采用双喷电解法(电解液为体积比1?3的硝酸甲醇溶液) 制备透射电镜试样,在透射电镜下观察合金微观组织。

拉伸实验参照国标GB228?87,在CSS?44100型电子拉伸机上进行试样(长向)拉伸试验。采用CHI600C电化学分析仪测量极化曲线,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极,溶液体系为5.7%NaCl+1%H2O2(质量分数),实验在室温下进行。

应力腐蚀裂纹扩展速率测定采用双悬臂(DCB) 试样,按GB/T12445.1—1990 进行,裂纹扩展方向为试样 (L—T面) 长向,实验介质为3.5% NaCl 水溶液,溶液温度控制在(35±1) ℃,用读数显微镜跟踪测量并记录两表面裂纹扩展时的长度和相应的时间,由每个测量时间的平均裂纹长度a,再根据下式计算相应的KI

式中:V为加载位移,mm;E为材料的弹性模量,GPa;h为字样的半高度,mm;l为平均裂纹长度,mm:     K为裂纹尖端应力强度因子,MPa·m1/2

剥落腐蚀采用航标HB5455?90,腐蚀溶液配比为NaCl 234 g/L,KNO3 50 g/L,HNO3 6.5 mg/L,其余为去离子水。样品除实验面外其余各面由环氧树脂密封,实验时间为48 h,实验温度为(25±1)℃。实验后样品在30%的硝酸溶液中清洗去除腐蚀产物,然后水洗吹干。对照HB5455?90标准,对腐蚀试样进行评级,评级代号如下:N为试样表面允许变色或腐蚀,但没有点蚀和剥蚀的迹象;P为不连续的腐蚀点,在点的边缘可能有轻微鼓起;EA~ED为剥蚀的等级;EA表示表面少量鼓泡裂开,呈薄片或粉末,有轻微的剥层;EB表示出现明显的分层并扩展到金属内部;EC表示剥蚀扩展到较深的金属内部;ED表示剥蚀扩展到比EC更深的金属内部,并有大量的金属层   剥落。

2  实验结果

2.1  合金的金相组织

图1所示为合金的时效态组织。图1(a)、(c)和(e)所示为合金电解抛光覆膜后的组织。由图1(a)、(c)和(e)可知:复合添加Cr和Pr的合金B的组织十分粗大,发生明显的再结晶,且再结晶晶粒已经长大。单独添加Zr的合金A保持纤维状组织,复合添加Zr、Cr和Pr的合金C的纤维状特征明显。图1(b)、(d)和(f)所示为合金经铬酸腐蚀后的组织。从图1(b)、(d)和(f)中可以看出:合金A的亚晶已经长大,部分亚晶已经合并成为大晶粒;合金B的亚晶已经完全合并成大晶粒;而合金C仍保留了大量细小的亚晶组织。这说明复合添加Zr、Cr和Pr能显著抑制Al-Zn-Mg-Cu合金再结晶,阻碍亚晶粒的合并长大。

图1  经电解抛光覆膜和铬酸腐蚀处理后合金的金相组织

Fig.1  Optical microstructures of alloys by electro-polished and anodized and graff-sargent reagent etched: Electro-polished and anodized, alloy A (a), alloy B (b) alloy C (e); Graff-sargent reagent etched, alloy A (b), alloy D (d), alloy C (f)

2.2  合金的微观组织

图2所示为复合添加微量Zr、Cr和Pr的Al-Zn-Mg-Cu合金T6时效态的TEM像。从图2(a)可以看出,合金的基体中析出颗粒状粒子,由EDX分析可知,弥散相中含Cr、Pr、Zr和Al。这些粒子细小弥散均匀分布于晶粒和晶界上,其粒径为20~50 nm,形状为球形。

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