微量Sc对2197铝锂合金组织和力学性能的影响
黄兰萍1,郑子樵2,黄永平3,钟莉萍4
(1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙,410083;
2.中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙,410083;
3.长沙大学 应用化学与环境科学系,湖南 长沙,410003;
4.中南林学院 工业学院,湖南 株洲,412006)
摘要: 研究了微量Sc对Al-Li-Cu系2197合金的显微组织和拉伸性能的影响。采用拉伸试验和透射电镜等方法对样品进行了力学性能测试和微观组织分析。研究结果表明,δ′(Al3Li),θ′(Al2Cu)和T1(Al2CuLi)相仍为含Sc2197合金的主要强化相;添加微量Sc使合金析出初生和次生Al3Sc颗粒,时效过程中δ′相依附在Al3Sc颗粒上析出、长大,形成Al3Li/Al3Sc复合沉淀相,但这2种颗粒的存在并未明显提高热处理可强化的2197合金的强度和塑性。
关键词: 2197合金; Sc; 显微组织; 拉伸性能
中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)01-0020-05
Effect of Sc on Microstructure and Mechanical Properties of 2197 Al-Li Alloy
HUANG Lan-ping1, ZHENG Zi-qiao2,HUANG Yong-ping3,ZHONG Li-ping4
(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;
2.School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3.Department of Applied Chemistry and Environmental Science, Changsha University, Changsha 410003, China;
4.School of Industry, Central South Forestry University, Zhuzhou 412006, China)
Abstract: The effects of Sc on microstructure and tensile properties of 2197 alloy were studied. The measurements of properties and TEM results show that the addition of trace Sc can not obviously improve the strength and ductility of 2197 alloy. δ′(Al3Li), θ′(Al2Cu) and T1(Al2CuLi) phases are still main strengthening phases in the Sc-containing alloy. Moreover, Al3Sc particles and composite Al3Sc/Al3Li particles precipitate in the alloys containing Sc, but the two kinds of particles do not evidently improve the strength and plastic property of 2197 alloy.
Key words: 2197 Al-Li alloy; Sc; microstructure; tensile property
Sc对铝合金具有优良的合金化作用。目前,已开发出多种含Sc工业形变铝合金:Al-Mg-(Li)系(01570铝合金、01421铝合金等),Al-Zn-Mg系(01975铝合金、01981铝合金等),Al-Cu-Li系(01460铝合金等)[1-5] 。Sc既是稀土元素,又是3d过渡族金属,在Al及Al合金中加入Sc,具有如下优点:
a. 铝合金结晶时从熔体中优先析出的初生Al3Sc不溶性质点(a=0.410 nm)与铝基体共格,可作为固溶体非均质晶核的核心。
b. 提高合金的强度,特别是能显著提高Al-Mg[CM(22] 系合金的强度。初生Al3Sc质点引起细晶强化;均匀化退火和热轧变形过程中从过饱和固溶体中析出的次生Al3Sc质点弥散强化;次生Al3Sc质点强烈钉扎位错和亚晶界引起亚结构强化作用。
c. 提高再结晶温度,抑制基体的回复与再结晶,明显提高变形组织的稳定性。
d. 在Al-Li系合金中改变主要强化相δ′和S′等的尺寸、形貌和分布状况,改变裂纹萌生位置和扩展途径。
在Al-Mg-Li系1420铝合金的基础上添加0.08%~0.12%Sc研制成1421铝合金和1423铝合金,提高了合金的热循环载荷和可焊性。目前,人们对在Al-Li-Cu系合金中添加Sc的研究却很少,在此,作者研究了Sc对Al-Li-Cu-Zr系2197铝锂合金的拉伸性能和显微组织的影响,并讨论Sc对Al-Li-Cu合金的作用机理。
1 实验方法
实验所用合金名义成分如表1所示。其中,1号合金为2197铝合金,2号合金为在2197铝合金中添加了质量分数为0.2%Sc的合金。所用原料为:工业纯铝(99.95%),高纯锂,以及Al-Cu,Al-Zr和Al-Sc中间合金。在电阻炉中熔炼后,铸锭在盐浴炉中经530 ℃和24 h均匀化处理,热轧成4 mm厚板材,再经中间退火后随炉冷至250 ℃,出炉空冷,接着冷轧成厚度为2 mm的薄板。于510 ℃进行1 h盐浴炉固溶,水淬至室温,在恒温箱中分别进行T6和T8时效处理。T6状态时效温度为177 ℃;T8状态下,样品固溶后经6%冷变形后于177 ℃时效。
表 1 实验合金的名义成分
Table 1 Nominal composition of experiment
alloys w/%
拉伸实验在国产青山LJ-3000A型机械式拉伸试验机上进行。透射电镜观察在JEM-2000EX电镜上进行,加速电压为175 kV。
2 实验结果
2.1 Sc对合金力学性能的影响
1号、2号合金的T6和T8状态室温拉伸性能如图1和图2所示。可见,2号合金T6和T8状态的峰值时效时间和不含Sc的1号合金的峰值时效时间几乎相同。从图1可见,在T6状态下,时效初期2号合金表现出较快的时效强化效应,在欠时效过程中就具有较高的强度,但达到一定值后,其强度增值反而没有1号合金的大;在峰时效阶段,2号合金强度与1号合金的相近;在过时效阶段,2号合金强度略低于1号合金的强度。2种合金的延伸率均随时效时间的延长逐渐下降,但在时效中、后期,1号合金的延伸率一直大于2号合金的延伸率。在T6状态下,Sc的添加对2197合金的强塑性没有明显提高,但也未使合金的性能下降。从图2可看出,在T8状态下,在整个时效阶段,Sc的加入只稍微提高了合金的拉伸极限强度、屈服强度和延伸率。Sc的加入降低了时效初期2197合金的延伸率,但随着时效时间延长,延伸率降低的程度减小,导致在时效中后期,2号合金的延伸率一直高于1号合金的延伸率。
2.2 Sc对合金显微组织的影响
图3和图4所示为实验合金分别在T6和T8状态下的TEM明场像。从图3(a)可见,1号合金时效48 h后,除尺寸不均匀的球状δ′(Al3Li)相外,还有大量颜色较深的斜交针状相即T1相(Al2CuLi)以及颜色较淡、互相垂直的针状相即θ′相(Al2Cu)在晶内及亚晶界析出。图3(b)所示为时效48 h后试样中析出的T1相形貌,可见,T1相密度较大,较均匀。
由图4可见,与1号合金相同,δ′,T1和θ′仍为2号合金的主要强化相,Sc的加入并不改变2197合金的主要强化相种类。2号合金在欠时效时(见图4(a))未析出T1相,只有一些细小的δ′相及大量比δ′粗的δ′/Al3Sc(或δ′/Al3(Sc,Zr))复合相。图4(b)所示为2号合金高倍率的δ′/Al3Sc复合相形貌。Al3Sc具有Li2型Cu3Au结构,与基体共格。Al3Sc与δ′结构相似,在时效过程中可作为δ′非均匀形核的核心,δ′包覆在其上析出并粗化,形成与δ′/β′复合相相似的δ′/ Al3Sc复合颗粒,该颗粒长大速度很快, 因此, 随着时效时间延长,合金中出现2种形貌和尺寸不同的δ′粒子:尺寸细小的δ′相和尺寸较大的复合析出相δ′/ Al3(Sc、Zr),不同复合相内层颜色深浅不一,这与2197合金中Zr含量有关。Al3Sc 晶格中有部分Sc原子被性质相近的Zr原子替代形成Al3(Sc1-x,Zrx),Zr原子替代Sc原子数量的不同造成合金成分和颜色的变化[5]。与1号合金相比,2号合金中多数T1相较短小(见图3(b)、图4(c)),但比1号合金中T1相稍粗。
图3(c)和图4(d)所示分别为1号、 2号合金在T8状态下峰时效的TEM像。可见,1号和2号合金中析出的T1相类似, 所不同的是, 此时2号合金仍存在一些δ′/ Al3(Sc,Zr)复合相。 因该复合相细小, 中心质点硬, 可抑制共面滑移, 从而使T8状态2号合金延伸率在时效中、 后期一直稍微高于1号合金延伸率。
1—1号合金; 2—2号合金
图 1 实验合金T6状态下室温拉伸性能与时效时间的关系
Fig. 1 Relationship between tensile properties and ageing time of alloy in T6 temper
1—1号合金; 2—2号合金
图 2 实验合金T8状态下室温拉伸性能与时效时间的关系
Fig. 2 Relationship between tensile properties and ageing time of alloy in T8 temper
(a)—48 h(T6峰); (b)—48 h(T6峰),Ti相; (c)—20 h(T8峰)
图 3 1号合金在T6和T8状态下时效点的TEM明场像
Fig. 3 TEM images of alloy 1 in T6 and T8 tempers respectively
(a)—4 h(T6); (b)—Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合相形貌; (c)—48 h(T6峰); (d)—20 h(T8峰)
图 4 2号合金在T6和T8状态时效点的TEM明场像
Fig. 4 TEM morphologies of alloy 2 in T6 and T8 tempers respectively
3 讨 论
Al-Li-Cu-Zr系合金的析出顺序和析出强化相的种类在很大程度上取决于Cu和Li的质量分数。当Cu的质量分数为2%~5%时,其主要析出过程大致如下:α过饱和固溶体→G.P.区+δ′(Al3Li)→T1(Al2CuLi)+ δ′(Al3Li)+θ′(Al2Cu)→T1(Al2CuLi),时效初期的强化主要来源于G.P.区和球状δ′相的联合析出,时效后期则由θ′相、T1相析出共同强化。由组织观察结果可知,1号合金由δ′相、θ′相和T1相共同强化。
T1相的析出量取决于合金中Cu和Li的质量分数。1号和2号合金中,Cu与Li的质量比小于2,δ′相在淬火态及时效初期优先析出,降低了Li原子含量,因而在欠时效状态时,T1相析出量较少。在峰值时效态时T1相较密集、均匀,而δ′相少。在欠时效时,T1相、θ′相、δ′相分别析出;在峰时效、过时效条件下,T1相则被消耗,δ′和θ′生长。
在Al-Cu-Sc系合金中,当w(Cu)>1.5%,w(Sc)>0.2%时,合金熔体结晶时会形成粗大难熔的W相[1,2,6,7]。关于W相的成分和晶体结构目前没有统一的结论:A.F.NORMAN等认为,W相为Al3-8Cu2-4Sc,ThMn12型结构,a=0.863 nm,c=0.510 nm[2];KHARAKTEKOVA M L等认为,W相为Al5.4-8Cu6.6-4Sc,a=0.855 nm,c=0.505 nm或Al5-8Cu7-4Sc,空间群为J4/mmm[7]。W相在随后的加工热处理中不溶解,增加了合金组织内过剩相的体积分数,导致合金强度、塑性、冲击韧性和断裂韧性下降。在Al-Li-Cu-Zr合金中,由于Cu和Sc进入W相不参与强化,使合金强化相T1,θ′和Al3Sc减少。在本实验的2197合金成分条件下,不能肯定是否存在W相。在合金凝固结晶的实际冷却条件下,除析出初生Al3(Sc,Zr)相外,其余的Sc,Zr,Cu和Li固溶在α基体中形成固溶体。在均匀化退火后缓慢冷却时,过渡族元素和固溶体会分解。过渡族元素在Al中扩散速度小,结晶时合金元素扩散不完全。在530 ℃的均匀化温度下,Cu和Li的扩散速率远大于过渡族元素Sc和Zr的扩散速度,θ相(Al2Cu)和次生Al3(Sc,Zr)相分别被析出[7]。θ相(Al2Cu)可导致基体Cu含量减少,难以提供足够的Cu以形成难熔化合物。
合金熔体结晶时优先析出的初生Al3(Sc,Zr)消耗了Sc,Zr,使次生Al3(Sc,Zr)析出数量减少,并且初生Al3(Sc,Zr)在后序加工过程中不会发生回溶而是长大[1],因此,初生Al3Sc具有的细晶强化作用远小于其粗化对强度、塑性产生的影响。实验证明,完全避免Al3Sc的析出是不可能的。对热处理不强化的Al-Mg系合金,一次Al3Sc质点的细晶强化效果显著[8],但对热处理可强化的2197合金,其细晶强化效果与后序的时效强化效果相比要小得多。因此,对于以时效强化为主的Al-Cu-Li 系2197合金, Sc的添加没有明显强化作用。
Al3Sc与母相铝共格,具有极大的共格错配(1.2%)[2],引起晶格强烈的应变,从而锁住位错运动,阻碍晶粒长大。Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合相粗化速度快,因此,Al3Li/Al3(Sc,Zr)复合相的形成及迅速粗化使Al3Sc和Al3(Sc,Zr)失去共格性和弥散性,也就减弱了其共格应变强化和沉淀强化效果[3,9-11]。在T8状态下,预变形促进2号合金析出大量T1相,减少了用于Al3Li/Al3Sc粗化的Li原子,减慢该复合相的长大速度,这有助于合金强度、塑性的提高。
4 结 论
a. 添加Sc没有明显改善热处理可强化的2197铝合金T6状态、T8状态的强度和塑性。
b. 添加微量Sc不改变2197铝合金主要强化相的种类,δ′(Al3Li)相、θ′(Al2Cu)相、T1(Al2CuLi)相仍为含Sc 2197铝合金的主要强化相,但Sc的加入使合金中出现了初生和次生Al3Sc颗粒,时效过程中δ′相依附在次生Al3Sc颗粒上析出并长大形成Al3Li/Al3Sc复合沉淀相。
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收稿日期:2004-09-30
作者简介:黄兰萍(1973-),女,湖南郴州人,讲师,博士研究生,从事中高强铝合金多重相的固溶析出及其强韧化作用的研究
论文联系人: 黄兰萍,女,讲师;电话:0731-8830714(O); E-mail:christie@mail.csu.edu.cn
