文章编号：1004-0609(2008)12-2145-06

微量Sc对AA7085铝合金组织与性能的影响

肖代红，巢  宏，陈康华，黄伯云

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

摘  要：通过铸锭冶金工艺，制备含微量Sc的AA7085铝合金。采用金相观察、力学性能测试、扫描电镜及透射电镜分析，研究添加0.3%Sc对基体合金的铸态及锻造态的显微组织和力学性能的影响。结果表明，添加0.3%Sc能细化铸态合金的晶粒，抑制锻造态合金的再结晶，最终提高基体合金的强度和断裂韧性；含0.3%Sc的合金抗拉强度达到562 MPa，断裂韧性K_IC(S-L)达到34 MPa·m^1/2。含Sc的AA7085合金的强化机制主要是Al₃(Sc, Zr)相引起的细晶强化、亚结构强化和沉淀强化。

关键词：AA7085铝合金；Sc；再结晶；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.2+1       文献标识码： A

Effect of minor Sc addition on microstructure and properties of AA7085 alloy

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

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

Abstract: AA7085 alloys with minor Sc content were prepared by ingot metallurgy method. The effect of Sc addition on the microstructure and mechanical properties of the based alloys was investigated using optical microscope, mechanical properties testing, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that 0.3%Sc addition refines the grains of the casting alloys, and inhibits the recrystallization of the forged alloy. AA7085 alloy with 0.3%Sc content has higher strength and fracture toughness, and σ_b and K_IC(S-L) are 562 MPa and 34 MPa·m^1/2, respectively. The strengthening mechanisms of AA7085 alloy with Sc element are mainly the sub-structure strengthening, precipitation strengthening and refiner grain strengthening of Al₃(Sc, Zr) phase.

Key words: AA7085 alloy; scandium; recystallization; microstructure; mechanical property

Al-Zn-Mg-Cu系合金因具有高强度与高比刚度、易于加工、耐腐蚀性能好以及韧性比较高，被广泛用作航空航天工业的结构材料及各类车船体的结构件^[1?2]。AA7085铝合金是美国铝业公司开发的一种新型的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金^[3?4]，主要用作锻件，其合金成分为：Zn 7.0%~8.0%、Mg 1.2%~1.8%、Cu 1.3%~2.0%、0.08%~0.15Zr%。相对于AA7050-T7451铝合金而言，AA7085-T7451具有高强度、高抗疲劳性能、高抗应力腐蚀性能与剥落性能等优点，该合金目前已被用作空客A380大型飞机的机翼大梁和翼肋。

近年来，为了进一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的综合性能，人们通过采用微合金化的途径，在该系合金中添加Zr、Cr、Mn、Ti、Er、Ag和Sc等微量元素^[5?13]，有效地改善了该系合金的强度与韧性。例如，贺永东等^[6]采用复合添加研究了微量Cr、Mn、Ti和Zr对7A55合金铸锭组织的影响，表明复合添加0.04%Ti+ 0.17%Zr能在一定程度上细化7A55合金铸锭组织，而复合添加微量0.04%Cr+0.04%Mn+0.03%Ti+0.18%Zr产生了极强烈的晶粒细化效果，并认为其细化机理为含有Cr和Mn的原子团簇作为Al₃Ti和Al₃Zr共同形核的基底使Al₃(Ti_xZr_1?x)形核。杨磊等^[10]认为在Al-Zn-Mg铝合金中添加微量Sc或同时添加Sc和Zr 能产生多重强化作用：添加微量Sc 和Zr 可明显细化合金的铸态晶粒, 并显著提高合金的力学性能, 其作用机理主要为Al₃(Sc, Zr)造成的细晶强化、亚结构强化和弥散强化。COSTELLO等^[12]通过在铸态的7055铝合金中添加Sc，发现当Sc含量达到一定值时，能产生明显的晶粒细化作用，而且这种细化效果能通过调整合金中的Zn、Mg与Cu的含量进一步提高。本文作者在AA7085铝合金的基础上，添加微量Sc元素，探讨其在该合金中的作用与存在形式，为进一步提高该合金的强韧化综合性能提供参考。

1  实验

以AA7085铝合金(成分为：Al-7.5Zn-1.5Mg- 1.6Cu-0.2Zr)为基础，分别添加0%Sc(合金AA7085)与0.3%Sc(合金AA7085Sc)，原材料以A00纯铝、工业纯镁、纯锌、Al-Cu合金、Al-Zr合金及Al-Sc合金等形式加入。合金熔炼在电阻炉中进行，熔体在720 ℃时浇入铁模中。铸锭在450 ℃进行均匀化处理24 h，然后在430 ℃以自由锻的方式锻造成厚度15 mm的锻件，高度方向锻造变形量为90%。锻造后的合金采用分步加热方式进行固溶处理，工艺为：(200 ℃，24 h)+(450 ℃，1 h)+(470 ℃，1 h)，合金固溶处理后室温水淬，在130 ℃时效处理。

在LEICA MEF4A/M显微镜上进行金相观察。在JSM?6360型扫描电镜、JEM?100CX型透射电镜及TecnaiG220 透射电镜上进行显微组织分析。透射电镜薄膜试样采用电解双喷减薄，电解液为30%硝酸和70%甲醇混合液。在CS?41100拉伸机上进行拉伸实验，采用悬臂梁方法测试材料的断裂韧性K_IC((S-L)。所有测试数据均为3个试样的平均值。采用7501型涡流导电仪测量合金在不同状态下的电导率，每个试样测量5次并取平均值。

2  实验结果

2.1  铸态组织

图1 所示为2种合金铸态及均匀化处理后的显微组织。AA7085合金晶粒粗大，晶粒大小不均匀，晶粒粒径在200~250 μm 之间(图1(a))，为明显树枝晶组织；AA7085Sc合金铸造组织明显细化(图1(b))，晶粒大小均匀，晶粒粒径约30~40 μm，看不到树枝晶组织。450 ℃均匀化处理后(图1(c)与(d))，2种合金的晶界上的非平衡相大部分溶解，晶粒变得更为明显，与铸态合金相比，晶粒大小并没有发生明显的变化。但对AA7085Sc合金进行背散射扫描电镜分析可见(图2)，在晶粒中间有细小的方块状、三角形状或多边形状的第二相粒子，该相粒子尺寸为3~5 μm，经EDAX 能谱分析证实该第二相粒子为从合金熔体中凝固析出的一次Al₃(Sc, Zr)粒子。

图1  合金AA7085与AA7085Sc在铸态及均匀化态时的显微组织

Fig.1  Microstructures of alloys AA7085 and AA7085Sc at different states: (a) As-cast alloys; (b) As-cast alloys AA7085 Sc; (c) Homogenization alloy AA7085; (d) Homogenization alloy AA7085 Sc

图2  铸态合金AA7085Sc中Al₃(Zr, Sc)粒子形貌及能谱

Fig.2  SEM graph and EDAX spectra of Al₃(Zr, Sc) particle in as-cast alloy AA7085Sc

2.2  锻造态合金的组织

2种合金经过相同的锻造工艺变形后的显微组织如图3所示。AA7085合金经过锻造变形后，截面金相显示(图3(b))，其组织为典型的纤维状组织，而锻造面显示晶粒也较为粗大(图3(a))。AA7085Sc合金经过变形后，截面也显示纤维状组织(图3(e))，但尺寸明显比基体合金小；而锻造面显示出晶粒为等轴状(图3(d))。经过分步固溶及130 ℃时效处理20 h后，AA7085合金发生明显的再结晶(图3(c))，而AA7085Sc合金在相同的固溶处理及淬火时效后，再结晶并不明显(图3(f))，仍保持纤维组织。另外，2种合金组织存在的某些析出物经固溶后消失，固溶进α(Al)基体，但Al₃(Sc, Zr) 没有消失，仍然存在。

图3  锻造态合金AA7085与AA7085Sc的显微组织

Fig.3  Microstructures of forged alloys AA7085 and AA7085Sc: (a), (b) Forging treatment, alloy AA7085; (c) Aging treatment, alloy AA7085; (d), (e) Forging treatment, alloy AA7085 Sc; (f) Aging treatment, alloy AA7085

对AA7085Sc合金经过固溶及130 ℃时效20 h后进行TEM分析，结果显示，在晶界上有Al₃(Sc, Zr)粒子(图4(a))，其尺寸为0.5~5 μm；而晶内也析出了细小的二次Al₃(Sc, Zr)粒子(图4(b))，其平均尺寸为10 nm。同时，TEM分析也显示合金晶内有均匀细密分布的析出相，根据合金的时效状态和文献[2, 5]，可以认为该析出相为η′相。晶界上的粒子起钉扎作用，延缓再结晶的发生，提高再结晶温度；而晶粒中的析出粒子能起到弥散强化与时效强化作用。

图4  AA7085Sc合金时效态TEM像

Fig.4  TEM images of alloy AA7085Sc after aging for 20 h at 130 ℃

2.3  锻造态合金的性能

对经过分步固溶处理后的合金室温水淬，在130 ℃人工时效处理，分别测试其硬度与电导率(图5)。AA7085合金中添加0.3%Sc后，合金的硬度得到提高(图5(a))，其最大硬度从HRB90提高到HRB95，提高了5.5%，达到峰值的时间也从18 h降为15 h。峰时效后继续时效时，AA7085与AA7085Sc合金的硬度并没有发生很明显的变化，分别保持在HRB87与HRB92左右。

图5  AA7085合金与AA7085Sc合金在130 ℃的时效曲线

Fig.5  Aging curves of alloys AA7085 and AA7085Sc after aging at 130 ℃: (a) Hardness curves; (b) Conductivity curves

由于应力腐蚀与电导率是紧密相关的，电导率越高，抗应力腐蚀性能越好，因此，常用电导率来间接反映材料的抗应力腐蚀性能。对不同时效态合金的电导率测试显示(图5(b))，基体合金中添加微量Sc后，电导率也得到提高。在时效18 h后，AA7085合金的电导率为32.5%IACS，而AA7085Sc合金的电导率达到33.9%IACS。此后继续时效时，电导率先下降，时效32 h时达到最小，之后又开始增大。

对2种合金经过130 ℃时效处理20 h后，测试其力学性能(表1)。AA7085合金的抗拉强度为525 MPa，而AA7085Sc合金的为562 MPa，提高了37 MPa；AA7085合金的屈服强度为472 MPa，AA7085Sc合金的为515 MPa；而2种合金的伸长率也保持在15%以上。对合金的断裂韧性K_IC(S-L)测定显示，在基体合金中添加0.3%Sc后，合金断裂韧性从30 MPa·m^1/2提高到34 MPa·m^1/2，增加了13%。上述结果表明，Sc的添加有助于提高AA7085合金的拉伸性能与断裂韧性。

表1  合金的力学性能

Table 1  Mechanical properties of alloys

3  分析与讨论

如图1所示，在AA7085合金中添加0.3%Sc，铸态合金的晶粒明显发生细化，同时也出现细小的块状Al₃(Sc, Zr)粒子。在非平衡凝固条件下，微量Sc 在Al-Zn-Mg-Cu合金中，一部分固溶于基体α(Al)中，另一部分以一次Al₃(Sc, Zr)质点的形式存在^{[11, 14?16]}。Al-Mg-Sc-Zr 系相图研究指出^[17?18]，铝合金中Sc和Zr 含量分别大于0.05%时，合金成分位于α(Al)+ Al₃(Sc, Zr)+Al₃(Zr, Sc)三相区。根据非均匀形核理论，铸态晶粒的细化程度取决于添加剂的两种作用，即单位熔体中形核粒子数和粒子的有效形核作用。而粒子的有效形核作用依赖形核粒子与α(Al)基体的晶格常数和晶格类型，晶体结构相似是引起晶粒细化的主要原因。Al₃(Sc, Zr)相晶体结构为面心结构，与α(Al)基体相同，Al₃(Sc, Zr)晶格常数为0.4103 nm，非常接近α(Al) 晶体晶格常数0.4048 nm，其晶格点阵和晶体结构与α(Al)相近，晶格常数差异为1.5%，Al₃(Sc, Zr) 一次粒子成为α(Al)凝固结晶的晶核。同时含Sc铝合金熔体单位体积内形成大量Al₃(Sc, Zr)粒子，这些粒子具有高效形核作用，使合金晶粒细化，因而Sc在铝合金中具有明显细化晶粒的作用。Al₃(Sc, Zr)粒子呈现出正方形、长方形和三角形等不同形状，是金相磨面与非均质晶核交截的结果。若非均晶核刚好处在磨面上，则依据其与磨面的交截部位不同而呈现不同的形状。

如图3所示，AA7085Sc合金经锻造变形及T6热处理后仍为纤维状变形组织。这是由于Sc在铝合金中的固溶体很不稳定，在加热到250 ℃以及更高温度时迅速分解。YIN和KENDIG等^[14?15]认为，含Sc和Zr铝合金在加热或热加工过程中会从基体中析出细小弥散分布的二次Al₃(Sc, Zr)粒子，与α(Al)基体共格，与母相之间有着极小的共格错配度，共格应变能大，而界面能低，热稳定性较高。Al₃(Sc, Zr)对位错及亚晶界、晶界具有极强烈的钉扎作用，可以稳定变形组织的亚结构，阻碍位错重新排列成亚晶界及随后发展成大角度晶界的过程，从而阻碍再结晶晶粒的形核和长大。铝合金的再结晶起始温度一般在300 ℃左右。而Sc和Zr复合微合金化能显著提高合金的再结晶温度。

Al-Zn-Mg-Cu合金中的主要强化相为η′，其沉淀顺序大致相同：SSSS(过饱和固溶体)→GP区→      η′ (MgZn₂过渡相)→η(MgZn₂平衡相)。在Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金中添加微量Sc，可以提高Zn 和Mg在α(Al)固溶体中的溶解度^[13]，增大合金由GP 区向η′ 相转变的相变驱动力。含Sc的AA7085铝合金强度的增加主要是由二次析出的Al₃(Sc, Zr)粒子引起的，其原因是：1) 该粒子与基体完全共格，会在二者间产生方向相反、大小相等的共格力，由于在该粒子的基体周围存在较大的共格应变能，因而产生共格强化；2) 该粒子的显微硬度高达2 250 MPa^[13]，对合金产生直接析出强化作用；3) 该粒子较小，粒径约为10 nm(见图4(b))，Orowan 强化机制起作用。因此，细小的Al₃(Sc, Zr)沉淀析出相将产生一个很大的阻碍位错运动^[19]和亚晶界迁移的力，提高合金的再结晶温度，甚至使合金保持加工状态的纤维组织结构，产生亚结构强化。另外，在合金凝固过程中析出的一次Al₃(Sc, Zr)粒子细化了合金的铸态组织，也使合金得到细晶强化。

从表1可知，Sc的添加能显著提高AA7085合金的断裂韧性，因为合金中的Al₃(Sc, Zr)粒子可抑制基体再结晶、保持形变回复组织和亚晶间小角度晶界。由于小角度晶界能量比大角度晶界低，时效析出相在小角度晶界上的富集程度低于大角度晶界，不易优先开裂，因而减少沿晶界和亚晶界分布的二次裂纹，提高合金的断裂韧性。同时，晶内形成的Al₃(Sc, Zr)粒子减少了共面滑移，避免位错在晶界塞积，减少晶界的应力集中，提高合金的断裂韧性。

4  结论

1) 在AA7085铝合金中添加0.3%Sc，有助于细化铸态合金的晶粒，其晶粒大小为30~40 μm。

2) 在AA7085铝合金中添加Sc所形成的二次析出Al₃(Sc, Zr)弥散相可以抑制基体合金的再结晶，保持其形变回复组织。

3) 在AA7085铝合金中添加0.3%Sc后，合金的抗拉强度达到562 MPa，屈服强度达到515 MPa，断裂韧性达到34 MPa·m^1/2。

4) 含Sc铝合金的主要强化机制是一次析出Al₃(Sc, Zr)弥散相所引起的细晶强化、二次析出Al₃(Sc, Zr)相所引起的亚结构强化及η′引起的沉淀强化共同作用的结果。

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基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(G2005CB623704)；中国博士后科学基金特别资助项目(200801348)；中南大学博士后科学基金资助项目(2007年)

收稿日期：2008-04-09；修订日期：2008-08-25

通讯作者：肖代红，副研究员；电话：0731-8877880；E-mail: daihongx@mail.csu.edu.cn

(编辑 陈爱华)