中国有色金属学报 2003,(03),611-615 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.015

微量Sc对2195铝锂合金应变时效态的显微组织和力学性能的影响

郑子樵 余志明

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

摘 要：

采用拉伸试验机、光学金相显微镜、透射电镜、扫描电镜等设备研究了添加微量Sc对 2 195铝锂合金应变时效态的显微组织和拉伸性能的影响。结果表明 :微量Sc加入后能生成细小弥散Al3 (Sc , Zr) 质点 , 起到抑制再结晶的作用 ;微量Sc的加入既促使合金晶内析出的T1相分布更弥散均匀 , 又能使亚晶界和晶界上析出的T1相变得细小 , 几乎不出现明显的晶界无析出带 , 因而可在不降低合金强度的前提下有效地改善其塑性。

关键词：

2195铝锂合金;Sc;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2002-07-30

基金：国家十五重点攻关计划项目;

Effect of trace Sc addition on microstructure and mechanical properties of thermomechanically treated 2195 Al-Li alloy

Abstract：

By using tensile tester, OM, TEM and SEM, the effect of trace Sc on microstructure and tensile strength of thermomechanically treated 2195 Al-Li alloy was studied. The results show that addition of trace Sc can make Al 3 (Sc, Zr) particles distribute dispersively and evenly, and it can strongly retard recrystallization of the alloys and encourage the homogeneous precipitation of T 1 phase throughout the matrix without the grain precipitation free zone (PFZ) . Therefore, the ductility of the alloys containing trace Sc is improved.

Keyword：

Al-Li alloy; Sc; microstructure; mechanical properties;

Received： 2002-07-30

与普通铝合金相比, 铝锂合金具有高比强度、 高比刚度、 优良低温性能等突出优点, 但其塑性、 断裂韧性、 疲劳短裂纹扩展抗力等有待提高 ^[1] 。 国内外研究表明, 微合金化有可能改变合金析出相组元的热力学、 动力学行为, 从组元行为层次上改善析出相的时效行为, 进而优化精细结构。 铝锂合金中加Sc的前期研究工作主要集中在Al-Li-Mg-Sc合金系, 对有关Al-Li-Cu-Sc合金系的研究报道极少, 原因可能是在含Cu量大于1.5%的合金中, 加入大于0.20%的钪, 会形成W (Al_3～8Cu_2～4Sc) 相, 不利于有效地发挥添加钪合金化的潜在优势 ^[2] 。 2195铝锂合金属于含Cu量较高的Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zr系时效硬化型合金, 一般用于应变时效状态。 本文作者研究在该合金中添加0.15%的Sc对2195铝锂合金显微组织和力学性能的影响, 试图为开发性能更加优异的铝锂合金打下基础。

1 实验

合金在氩气保护下熔炼铸造, 合金的化学成分如表1所示。 铸锭经450 ℃, 16 h+500 ℃, 8 h双级均匀化处理后, 切头、 铣面、 热轧、 冷轧成2 mm厚的板材, 然后经504 ℃, 40 min盐浴固溶处理之后淬入冷水中。 经冷轧预变形6%后经160 ℃时效 (T₈) 处理。 在国产WD-10A型电子拉伸机上进行拉伸试验; 用MET100光学金相显微镜观察微观组织; 用H800透射电镜观察合金高倍微观组织; 用KYKY-1000型扫描电镜观察断口形貌。

表1 合金化学成分

Table 1 Chemical compositions of alloys (mass fraction, %)

Alloy	Li	Cu	Mg	Ag	Zr	Sc	Al
1# (2195)	1.07	3.97	0.42	0.43	0.15		Bal.
7# (2195+Sc)	0.96	3.8	0.69	0.47	0.14	0.15	Bal.

2 实验结果

2.1 拉伸强度

室温拉伸试验结果见图1。 从图中可以看出, T₈工艺条件下, 随着时效时间的延长, 7^#合金 (2195+Sc) 的抗拉强度缓慢上升, 时效50 h左右达到一个峰值平台, 36～60 h内强度值变化很小。 而延伸率则随时效时间的延长而缓慢下降, 即使到了50 h延伸率仍约11.2%, 与1^#合金 (2195) T₈状态相比, 其最大抗拉强度、 屈服强度相当, 而延伸率增加了约2.4%, 显示出2195+Sc具有较好的综合力学性能 (具体数值见表2) 。 值得一提的是2195+Sc的T₈态达到峰时效态的时间比不含Sc的2195合金要晚了近34 h左右。

图1 合金T8时效态的室温拉伸性能—时效时间曲线

Fig.1 Variations of tensile properties withaging time for T₈ treated alloys

表2T8工艺条件下1#与7#合金的峰值强度、 峰值时间及相应的延伸率

Table 2 Tensile properties and peak aged timefor T₈ treated alloys

Alloy	Aging time/h	σ0.2/ MPa	σb/ MPa	δ/%
1# (2195)	16	530	570	8.8
7# (2195+Sc)	50	534	565	11.2

2.2 显微组织

图2所示为1^#和7^#合金时效峰值状态的金相显微组织, 由此可知, 1^#合金有再结晶晶粒出现, 但整体上合金仍显示出加工态组织形貌, 7^#合金没有出现再结晶的迹象。

图2 合金T8峰时效态的显微组织

Fig.2 Microstructures of T₈ peak aged alloys (a) —Alloy 1^#; (b) —Alloy 7^#

图3所示为1^#和7^#合金T₈峰值状态的TEM显微组织。 7^#合金峰值状态主要强化相为T₁相, 与1^#合金T₈峰值状态相比, 7^#合金的T₁相较为细小, 分布也较均匀, 而且T₁相沿晶界、 亚晶界析出非常明显, 几乎不出现晶界无析出带 (PFZ) 。 7^#合金有大量豆瓣状Al₃ (Sc, Zr) 复合相析出, 而1^#合金也有点状相Al₃Zr析出。

2.3 断口形貌

1^#和7^#合金拉伸断口的扫描电镜像如图4所示。 T₈峰时效态的断口形貌均为层状断口, 但与1^#合金的断口形貌相比, 7^#合金层状细密很多, 且存在许多细小韧窝, 断裂方式呈穿晶断裂+短横向沿晶分层开裂的混合型。

3 分析与讨论

将钪加入2195合金后, 在均匀化退火或热加工过程中形成的Al₃ (Sc, Zr) 质点多以弥散细小颗粒存在, 阻碍位错滑移、 攀移, 阻碍亚晶界分解与合并, 阻碍晶界滑动与迁移, 从而抑制合金的再结晶过程。 这与文献 [ 3, 4, 5, 6] 所报道的钪在Al-Sc, Al-Mg-Sc, Al-Cu-Mg-Sc系铝合金中能较强地阻止再结晶过程, 细化晶粒和亚结构的结果是一致的。 而许多研究工作已证实了铝锂合金的未再结晶结构较再结晶或部分再结晶结构有较好的强塑性配合 ^[7,8] , 即所谓铝锂合金组织分层强韧化原理, 它是利用扁平未再结晶晶粒结构减轻沿晶开裂的危害, 并得到特殊的韧化机制。 基于铝锂合金的这一共同特点, 可以认为这是微量钪改善2195合金强塑性的原因之一。 T₈工艺条件下, 由于在时效前进行了适当的冷变形, 可在合金基体上形成密布的位错或位错缠结, 大大增加了T₁相非均匀形核位置 ^[9,10,11] , 加上铝基体上弥散分布的Al₃ (Sc, Zr) 质点周围形成的插入型位错环也可以成为T₁相优先形核长大的场所 ^[12] , 这些是导致7^#合金的T₁相的尺寸、 形貌、 分布比1^#合金明显改善的主要原因, 而且7^#合金T₈态的TEM像中有大量细小T₁相在晶界、 亚晶界上析出, 无明显的晶界无析出带 (PFZ) , 这是7^#合金比1^#合金具有较好综合力学性能的又一重要原因。 至于7^#合金为何时效响应速度缓慢可能与钪的加入有关: 钪在铝合金中通常形成具有LI₂结构的Al₃Sc相, 其许多性质与锆相似。 据文献 [ 13] 报道, 铝锂合金中添加锆, 由于锆原子的空位结合能高 ( (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δ′相在固溶淬火及时效初期析出, 钪有锆类似的作用, 能延缓δ′相和T₁相的生长, 这与本文实验结果一致。 2195铝锂合金在应变时效态 (T₈态) 的主要强化相为T₁相, 由于Al₃Sc和Al₃Zr既能增加T₁相形核位置, 又能影响T₁相的生长速度, 尤其在含锆的合金中加入0.15%钪, 将降低锆或钪在合金中的溶解度而强化这种作用, 这也许是T₁相表现出细小、 分布均匀、 长大缓慢的主要原因。 虽然有研究 ^[2] 认为铝合金中, 在铜含量大于1.5%和钪含量大于0.2%的条件下, 有可能形成粗大难熔的W相而损害钪的作用, 但本合金铜含量高达3.8%而钪含量为0.15%, 在实验过程中却未能观察到W相的存在, 这和Kiarakterova ^[14] 和Dutkiewicz ^[15] 等人在高铜含量的铝合金中添加微量钪的研究结论一致。 由SEM观察证实, 7^#合金峰值状态的断口形貌表现为细层状+穿晶断裂的断裂方式, 证实了钪的加入对2195铝锂合金除有固溶强化、 次生含钪铝化物质点产生的弥散强化、 细小弥散化T₁相的作用外, 显然还有晶粒细化、 抑制再结晶所产生的亚结构强化等作用, 这也是使合金断裂模式有别于2195合金的层状+沿晶断裂模式的重要原因。

图3 合金T8峰时效态的TEM像

Fig.3 TEM images of T₈ peak aged alloys (a) —T₁ phase of alloy 1^#; (b) —PFZ of alloy 1^#; (c) —T₁ phase of alloy 7^#; (d) —Al₃Sc and its SAD pattern $(\text{B}=[1\stackrel{?}{1}0])$ of alloy 7^#

图4 合金T8峰时效态的拉伸断口SEM形貌

Fig.4 SEM fractographs of T₈ peak aged alloys (a) —Alloy 1^#; (b) —Alloy 7^#

4 结论

1) 添加微量的钪能使2195合金在T₈工艺条件下获得较好综合力学性能, 可在几乎不降低合金强度的前提下, 有较地改善其塑性。

2) 在2195铝锂合金中添加微量钪, 在T₈工艺条件下, 延缓时效过程, 能使合金晶内析出的T₁相分布均匀, 平均尺寸减小, 又使亚晶界和晶界上析出的T₁相变得细小, 几乎不出现明显的晶界无析出带 (PFZ) , 这是使合金强塑性配合显著优于普通2195铝锂合金的重要原因。

3) 添加微量钪改变了2195铝锂合金的断裂模式, 其断口形貌由层状+沿晶断裂为主的模式改变为细层状+穿晶断裂为主的模式。

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