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参考文献

摘要
1实验
2实验结果
3讨论
4结论
参考文献
图▲

图1 合金于200 ℃时效时硬度与时效时间的关系

图2 合金的拉伸性能与时效时间的关系

图3 合金A于200 ℃时效8 h的〈011〉α 明场像及相应的选区电子衍射谱

图4 合金A于200 ℃时效64 h的显微组织及相应的选区电子衍射谱

图5 合金B在200 ℃时效10 h的显微组织及相应的选区电子衍射谱

图6 合金B于200 ℃时效64 h的显微组织

表▲

表1 合金的化学成分

中国有色金属学报

中国有色金属学报 2004,(03),372-377 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.03.008

Al-4.0Mg-1.5Cu-1.0Li合金中Sc的微合金化行为

陈志国郑子樵王芝秀李世晨

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长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083

摘要：

通过时效硬化曲线的测量、室温拉伸实验以及时效组织的电镜观察,研究微量钪对Al 4.0Mg 1.5Cu 1.0Li 0.12Zr合金时效行为、显微组织和力学性能的影响。结果表明:微量钪的添加能显著增强该合金的时效硬化和强化效果。微观组织分析发现,微量钪的添加可促进Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合相与δ′相的弥散析出。通过对合金时效过程中析出相的分析,发现在所研究的合金中析出了Z相,表明微量银不是Z相析出的必要条件。

关键词：

铝锂合金;微观结构;微合金化;钪;

中图分类号： TG115

作者简介：陈志国(1969),男,副研究员.;

收稿日期：2003-07-01

基金：湖南省自然科学基金资助项目(01JJY2058);

Microstructural evolution and ageing behaviour of Al-4.0Mg-1.5Cu-1.0Li-(0.2Sc) alloys

Abstract：

The microstructural evolution and ageing behaviour of Al-4.0Mg-1.5Cu-1.0Li-(0.2Sc)-0.12Zr alloys were investigated. The results indicate that trace of Sc can modify the ageing characteristics of Al-(4.0Mg)-(1.5Cu)-(1.0Li)-0.12Zr alloys; the higher peak hardness and strength can be achieved. TEM observations show that the small addition of Sc can stimulate the precipitation of Al₃Li/Al₃(Sc, Zr) compound particles and δ′ in the Sc-containing alloy. Z phase can be precipitated in both Sc-free and Sc-containing Al-4.0Mg-(1.5Cu)-(1.0Li)-0.12Zr alloys, and it seems that small addition of silver is not the necessary condition for the precipitation of Z phase.

Keyword：

aluminium-lithium alloy; microstructure; microalloying; Sc;

Received： 2003-07-01

在铝及铝锂合金中添加微量Sc, 可以提高合金的强度、塑性、抗蚀性、焊接性, 降低热裂纹敏感性 ^[1,2,3] 。这些性能的改善与微量Sc与铝形成LI₂型共格Al₃Sc粒子有关, 且当Sc, Zr同时加入时, 还会形成极细的三元共格相Al₃(Sc_1-x, Zr_x) ^[4,5,6] 。 Al₃(Sc_1-x, Zr_x)除了能保持Al₃Sc全部有益的性能外, 还具有新的特点, 即Al₃(Sc_1-x, Zr_x)粒子在高温下聚集倾向比Al₃Sc粒子更小, 因而能更大程度地保持抑制再结晶效应和弥散强化效应。通过在Al-Mg-Li系合金中添加微量Sc, 发现钪能显著提高合金的综合性能, 从而开发了1421合金、 1423合金 ^[7] 。此外, 微量Sc在Al-Cu-Li系合金中的研究成果, 使前苏联成功开发了1460铝锂合金。但迄今为止, 很少见到在Al-Mg-Cu-Li合金中添加Sc的研究工作报道。本文作者研究了微量钪对Al-4.0Mg-1.5Cu-1.0Li合金的时效特性和力学性能的影响, 并对该系列合金中的微观组织结构进行了探讨。

1实验

采用工业纯Al, Mg, Li和Al-1.58%Sc(质量分数)及Al-4.05%Zr(质量分数)中间合金为原料, 在熔剂保护下熔化和精炼, 氩气保护下水冷铜模铸造, 合金的化学成分见表1。铸锭经均匀化之后热轧、冷轧而成为2 mm的板材。硬度测试在日本产SHIMADZU显微硬度计上进行, 负荷为1.961 N, 加载时间为10 s。拉伸试样取自板材的纵向, 经固溶处理后水淬。时效处理温度为200 ℃, 时效时间为0～100 h。拉伸试验在Instron8019材料试验机上进行, 拉伸速度为2 mm/min。透射电镜样品经机械减薄后采用33%硝酸甲醇溶液在-40 ℃左右的条件下双喷穿孔而成, 显微组织观察在Philips CM12透射电镜上进行, 加速电压为120 kV。

表1 合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions ofalloys(mass fraction, %)

Sample	Mg	Cu	Li	Sc	Zr	Al
A	4.0	1.5	1.0	0	0.12	Bal.
B	4.0	1.5	1.0	0.2	0.12	Bal.

2实验结果

2.1时效曲线

图1所示为合金A, B在200 ℃时效硬化曲线。由图可见, 2种合金的时效规律相似, 即都经历了欠时效、峰时效和过时效3个时效阶段, 在整个时效过程中都只出现1个时效峰值。比较两者的时效峰值硬度可知, 合金B的峰值硬度远高于合金A的峰值硬度。

图1 合金于200 ℃时效时硬度与时效时间的关系

Fig.1 Age hardening curves of alloys at 200 ℃

2.2拉伸性能

合金A, B分别在200 ℃时效态下的拉伸性能随时间的变化规律如图2所示。由图可见, 其拉伸强度随时间的变化规律与时效硬化曲线相似。比较2种合金的时效强度, 合金B的时效强度明显高于合金A, 值得特别注意的是, 合金B的σ_b与σ_0.2在时效初期均远高于合金A的值。比较两者的延伸率随时效时间的变化规律可知, 合金B的延伸率变化幅度不大。与合金B比较起来, 合金A在达到时效峰值后, 其延伸率降低速率相对较快。

图2 合金的拉伸性能与时效时间的关系

Fig.2 Relationship of tensile properties with ageing time for alloys A and B aged at 200 ℃

2.3时效组织分析

图3和4所示分别为合金A在200 ℃峰时效与过时效态的显微组织。由图可知, 合金A的主要析出强化相为弥散的棒状组织, EDXS分析结果表明它含有Cu与Mg, 同时选区电子衍射分析发现在其衍射谱上有明显的斑纹(streak)通过{100}_α(见图4(a)), 可见它们是GPB(Guinier Preston Bagaratsky zones)。此外, 还析出了许多等轴粒子、沿位错析出的S相、以及球形δ′(Al₃Li)(其中心暗场像见图4(b)中的插图)。由于在电子衍射谱1/3及2/3g{220}的位置出现了明显的Z相特征衍射斑(见图4(a)), 从而可以推断这些等轴粒子可能是Z相。过时效阶段这些析出相均有不同程度的长大(见图4), 但Z相长大幅度不大, 这也与Z相时效时不易粗化的特性一致 ^[8] 。

图3 合金A于200 ℃时效8 h的〈011〉α 明场像及相应的选区电子衍射谱

Fig.3 〈011〉_α BF images and corresponding SAED pattern of alloy A aged at 200 ℃ for 8 h

图4 合金A于200 ℃时效64 h的显微组织及相应的选区电子衍射谱

Fig.4 Transmission electron micrographs of alloy A aged at 200 ℃ for 64 h

(a)—〈001〉_αBF image;(b)—〈011〉_αBF image(〈011〉_αDF image inserted);(c)—Corresponding SAED pattern from(b)

通过对合金B在200 ℃峰时效的显微组织观察(见图5), 发现其主要强化相为球形的δ′相及复合粒子, 从双束条件下出现咖啡豆的像形貌来看, 这些复合粒子与基体共格。 EDXS结果表明这些粒子中含有Sc与Zr, 从而可以判断它们是Al₃Li/Al₃(Sc, Zr)复合粒子。与此同时, 与合金A一样也析出了GPB和Z相。在过时效阶段, 这些析出相得到不同程度的长大(见图6)。

图5 合金B在200 ℃时效10 h的显微组织及相应的选区电子衍射谱

Fig.5 Transmission electron micrographs of alloy B aged at 200 ℃ for 10 h

(a)—〈001〉_αBF image and corresponding SAED pattern;(b)—〈011〉_αBF image and corresponding SAED pattern;(c)—〈001〉_αDF image;(d)—〈011〉_αDF image

3讨论

Muddle等 ^[9] 的研究结果表明, GPB能在Al-Cu-Mg合金中形成, 有2个较显著的特点: 一是形成速度快, 二是热稳定性好。不仅在200 ℃时效很容易形成, 且在240 ℃时效也能形成。 GPB分为2种, 即GPBⅠ与GPBⅡ。 GPBⅠ能在淬火后低于200 ℃时效时很快形成; 而GPBⅡ则在高于200 ℃时效时形成。在本实验中, 不论是在含钪的合金B还是不含钪的合金A中均发现了GPB的析出, 并且成为合金的主要强化相之一。

关于Z相的研究很少, Chopra等 ^[10] 发现了这个与Ω相、 X′相相似的新相, 并对Z相的晶体结构进行了研究, 指出它属于立方结构, 点阵常数a为1.999 nm, 与基体有2个位向关系: $(100)_{Ζ} / / (100)_{α} ‚ [010]_{Ζ} / / [010]_{α}, (011)_{Ζ} / / (\bar{1} 11)_{α}, [0 \bar{1} 1]_{Ζ} / / [0 \bar{1} 1]_{α}$ 。他们还指出Z相并不是T相(在Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg中观察到的)的同晶型体, 也不同于Al-Cu-Mg-Ag中的Χ′相。 Ringer等 ^[11] 对Z相的成分进行研究, 发现Z相的平均成分(摩尔分数)为20%Cu, 20%～25%Mg, 50%～65%Al, 还含有2%～5%Ag原子聚集。在本实验合金中并不含微量银, 但仍发现有Z相析出。由此看来, 微量的银并不是Z相形成的必要条件。

Al₃Sc是一种稳定相, 具有LI₂型Cu₃Au结构, 与基体共格。与β′(Al₃Zr)相同。 Sc与Zr可以形成极细的三元共格相Al₃(Sc_1-x, Zr_x)。 Al₃(Sc_1-x, Zr_x)都与δ′(Al₃Li)结构相似, 时效过程中可作为δ′非均匀形核的核心, δ′包覆在其上析出长大, 形成与δ′/β′复合相相似的Al₃Li/Al₃(Sc, Zr)复合粒子。有文献报道 ^[12] , 铝锂合金中添加Zr, 由于Zr原子-空位结合能高(0.24±0.02 eV), 易与空位结合, 导致与锂原子结合的空位减少, 从而阻止了δ′相在固溶淬火及时效初期析出。由于Sc的加入, 将降低Zr或者Sc在合金中的溶解度, 促使比Al₃Zr更细小Al₃(Sc_1-x, Zr_x)相的形成, 释放出被缚获空位; Al₃Sc和Al₃Zr与基体的错配度分别为1.6%与0.2%, 为了降低界面能, δ′倾向在Al₃Zr, Al₃Sc和Al₃(Sc_1-x, Zr_x)相的界面处形核析出, 形成许多δ′/β′复合相, 并且在时效初期Sc会促使δ′相的析出。

图6 合金B于200 ℃时效64 h的显微组织

Fig.6 Transmission electron micrographs of alloy B aged at 200 ℃ for 64 h

(a)—〈001〉_αimage;(b)—〈011〉_αBF image;(c)—〈001〉_αDF image;(d)—〈011〉_αimage under two-beam conditions

研究表明, δ′相在固溶处理后的淬火冷却过程中就可以弥散析出, 随后的时效使δ′继续析出并长大。且δ′相的粗化遵循Lifshit-Slyozor和Wagner相粗化方程 ^[13] :

$\begin{array}{l} (\bar{r}_{t})^{3} - (\bar{r}_{0})^{3} = k (t - t_{0}) \\ k = \frac{8 γ w D x_{m}^{2}}{9 R Τ} \end{array}$

式中 $\bar{r}_{0}, \bar{r}_{t}$ 分别为时效t₀时间和t时间对应的平均粒子半径; k为粗化速率常数; γ为δ′相与α相的界面自由能; D为溶质原子Li在基体中的扩散系数; w为温度T时溶质原子Li的平衡固溶度; x_m为析出相δ′的摩尔分数。

可见, δ′相的粗化与溶质原子Li的扩散速度密切相关。在Al-Li合金中, Li原子易与空位结合形成Li-空位复合体, 时效过程中这种复合体的扩散比Li原子单独扩散要快得多, 但在含Sc合金的淬火过程中, Sc原子可填充到空位上使淬火后合金中的空位浓度下降 ^[14] , 此外Sc与空位的结合能很高 ^[15,16] , Sc原子还使时效时的空位迁移率降低, 从而减低Li原子的扩散速度。所以合金B中析出的Al₃Li/Al₃(Sc, Zr)复合相及δ′粒子在整个时效过程中没有明显的长大。与δ′相比, 位错切割这种复合粒子更为困难, 从而使得合金的强度与硬度显著提高。同时, 这种复合粒子可有效地抑制铝锂合金中的共面滑移, 因而改善了合金的韧性, 使合金具有较好的综合性能。