简介概要

Er微合金化对1441铝锂合金微观组织和力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2017年第7期

论文作者：刘丹阳李劲风郑子樵陈永来张绪虎

文章页码：725 - 732

关键词：Al-Cu-Li合金;Al8Cu4Er相;微观组织;力学性能;

摘要：采用铸锭冶金法制备了不同含量稀土元素Er的Al-Cu-Li合金。利用拉伸力学性能测试、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及元素能谱分析（EDS）等分析测试手段,研究了Er的添加对Al-Cu-Li合金T8时效状态下的微观组织和力学性能影响。结果表明,合金在峰时效下的强度较未添加Er元素的Al-Cu-Li合金略有下降,添加0.3%Er（质量分数）的Al-Cu-Li合金的T8态峰时效屈服和抗拉强度均下降了30 MPa;添加Er元素的Al-Cu-Li合金的主要强化相仍然为δ’相（Al3Li）及S’相（Al2Cu Mg）,Al-Cu-Li合金的Er元素未影响其时效析出响应速度;添加Er微合金化合金峰时效下内部有大量的δ’相和少量的S’相,而未添加Er元素的Al-Cu-Li合金峰时效下有大量的δ’相和大量的S’相,添加Er元素使峰时效态下S’相数量减少;Al-Cu-Li合金从始至终没有发现Al3Er强化相的存在证据;添加稀土元素Er,在凝固态时即可形成Al8Cu4Er相粒子,这些粒子直至均匀化和固溶热处理时仍未完全溶解于固溶体中;断口形貌分析显示添加Er元素使Al-Cu-Li合金的沿晶脆性断裂倾向增大,佐证了合金强度下降的力学性能表现。

网络首发时间: 2016-07-08 15:37

稀有金属 2017,41(07),725-732 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16040020

Er微合金化对1441铝锂合金微观组织和力学性能的影响

刘丹阳李劲风郑子樵陈永来张绪虎

中南大学材料科学与工程学院

有色金属先进结构材料与制造协同创新中心

航天材料及工艺研究所

摘要：

采用铸锭冶金法制备了不同含量稀土元素Er的Al-Cu-Li合金。利用拉伸力学性能测试、扫描电子显微镜 (SEM) 、透射电子显微镜 (TEM) 及元素能谱分析 (EDS) 等分析测试手段, 研究了Er的添加对Al-Cu-Li合金T8时效状态下的微观组织和力学性能影响。结果表明, 合金在峰时效下的强度较未添加Er元素的Al-Cu-Li合金略有下降, 添加0.3%Er (质量分数) 的Al-Cu-Li合金的T8态峰时效屈服和抗拉强度均下降了30 MPa;添加Er元素的Al-Cu-Li合金的主要强化相仍然为δ'相 (Al3Li) 及S'相 (Al2Cu Mg) , Al-Cu-Li合金的Er元素未影响其时效析出响应速度;添加Er微合金化合金峰时效下内部有大量的δ'相和少量的S'相, 而未添加Er元素的Al-Cu-Li合金峰时效下有大量的δ'相和大量的S'相, 添加Er元素使峰时效态下S'相数量减少;Al-Cu-Li合金从始至终没有发现Al3Er强化相的存在证据;添加稀土元素Er, 在凝固态时即可形成Al8Cu4Er相粒子, 这些粒子直至均匀化和固溶热处理时仍未完全溶解于固溶体中;断口形貌分析显示添加Er元素使Al-Cu-Li合金的沿晶脆性断裂倾向增大, 佐证了合金强度下降的力学性能表现。

关键词：

Al-Cu-Li合金;Al8Cu4Er相;微观组织;力学性能;

中图分类号： TG146.21

作者简介：刘丹阳 (1986-) , 男, 山东烟台人, 博士研究生, 研究方向:铝锂合金;E-mail:liudanyang@csu.edu.cn;;李劲风, 教授;电话:13278861206;E-mail:lijinfeng@csu.edu.cn;

收稿日期：2016-04-20

基金：国家科技部“863”计划项目 (2013AA032401) 资助;

Microstructures and Mechanical Properties of 1441 Al-Li Alloy with Er Micro-Alloying

Liu Danyang Li Jinfeng Zheng Ziqiao Chen Yonglai Zhang Xuhu

School of Materials Science and Engineering, Central South University

Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center

Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology

Abstract：

Al-Cu-Li alloys containing different contents of Er were prepared by cast metallurgy. The effect of trace Er on mechanical properties and microstructures of Al-Cu-Li alloy was examined with tensile properties measurement, scanning electron microscope (SEM) , transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) . The result showed that the addition of Er to Al-Cu-Li alloy decreased the strength marginally, and yield strength and tensile strength of the T8 alloy under peak-aging condition were both declined by 30 MPa when the content of Er was 0. 4% (mass fraction) . The aging precipitates in Er micro-alloyed AlCu-Li alloy were still δ' (Al3Li) and S' (Al2 Cu Mg) phases, and the aging response was same with other alloys. The number of the δ'phase in the peak-aging alloy remained the same with Er addition increasing, while the number of S' phase decreased with Er addition increasing. However, there was no Al3 Er phase in the Er-added Al-Cu-Li alloy from the start to the end. During solidification process, Al8Cu4 Er particles formed due to Er addition, which was not completely dissolved into the solid solution during homogenization and solution treatment. The possibility of intergranular brittle rupture grew with Er-added alloy indicated by fractography analysis technology, which proved the decrease of mechanical properties.

Keyword：

Al-Cu-Li alloy; Al8Cu4Er phase; microstructure; mechanical property;

Received： 2016-04-20

铝锂合金是一种新型的高性能航空航天材料, 目前美国和俄罗斯等国正在开展的相关研究工作主要着眼于选用先进的铝锂合金来减轻航天航天器的结构重量。其中1441合金作为俄罗斯研发的一种新中强型铝锂合金, 在用作飞机蒙皮结构材料方面有取代传统的D16合金或者1163合金的能力。此合金虽与传统Al-Cu-Mg系合金强度大体相似, 密度却降低了7%, 弹性模量提升了12%, 在其他力学性能方面也有不错的表现^[1]。另外, 1441合金也是目前铝锂合金中冷加工性能最好的合金之一, 其可冷轧成0.5 mm厚度的卷板, 并有比较高的成材比率。在现有铝锂合金研究工作中, 添加微合金化稀土元素可以影响原有合金材料在微观组织和结构性能等方面的特征, 其中Sc元素的表现尤为突出, 它可使变形铝合金强度得到明显提高^[2,3,4,5]。但由于其价格昂贵造成生产成本上升, 目前已有的相关的Al-Mg合金研究发现了Er元素具备与Sc类似的形变铝合金强化作用^[6,7], 因而价格低廉的Er添加对铝锂合金的影响作用研究更具有实际应用意义。本文正是基于此研究了Er元素的添加对Al-CuLi合金的力学性能和微观组织的影响。

1 实验

实验中的Al-Cu-Li合金成分是以1441合金 (Al- (1.7-2.0) Li- (1.6-2.0) Cu- (0.7-1.1) Mg- (0.04-0.2) Zr) 为基础, 通过添加0.3%Er元素 (质量分数, 下同) , 研究此添加对1441基础合金微观组织和性能的影响 (合金实际成分如表1所示) 。实验中制得铸锭经470℃/8 h+530℃/24 h双级均匀化退火、热轧、中间退火后, 最终冷轧成2 mm厚度薄板待用。冷轧薄板经530℃固溶处理1 h, 水淬处理后进行T8热处理。其中, T8热处理工艺中时效前预变形量为5%, 时效温度为150℃。

表1 实验合金成分Table 1 Composition of alloy (%, mass fraction) 下载原图

表1 实验合金成分Table 1 Composition of alloy (%, mass fraction)

原始铸态组织及均匀化组织采用配备元素能谱分析 (EDS) 的Sirion-200场发射扫描电镜 (SEM) 进行观察, 原始铸态组织、均匀化及固溶处理后第二相粒子采用EDS进行成分分析。拉伸断口分析也采用配备EDS的Sirion-200 SEM进行观察并拍摄图片。采用MTS-858材料试验机进行时效处理后铝锂合金的室温拉伸性能测试, 拉伸速度为2mm·min^-1。采用Tecnai G220型透射电镜 (TEM) 进行微观组织观察, 测试试样首先机械减薄至0.08mm左右, 而后采用双喷电解减薄仪制取, 进行TEM观察时加速电压为200 k V。

2结果与讨论

2.1 室温拉伸

如图1所示为合金1和合金2在T8-150℃时效工艺条件下的室温拉伸性能随时效时间变化的曲线。由图1中曲线可以得出性能变化总体趋势是:随着时效时间的延长, 合金的强度逐渐增加, 达到峰值后略微下降, 基本保持不变, 出现较长的稳定时间平台, 而伸长率则随时效时间的延长而逐渐降低。可以看出, 1441铝合金中在添加了0.3%Er后, 并未改变合金的时效响应速度, 而峰时效下的强度降低了32.5 MPa, 延伸率平均下降了1.5%。由此可见, 在T8态下1441合金中添加了0.3%的Er后, 合金的峰时效强度有所下降, 说明Al-Cu-Li合金中加入0.3%Er会对合金强度有不良影响。

图1 合金1和合金2在T8时效工艺条件下的室温拉伸性能-时效时间曲线Fig.1 Mechanical properties-aging time curves of Alloys 1 and 2 under T8 treatment condition

2.2 SEM形貌

合金1铸态的SEM形貌图像及晶界颗粒状相的EDS分析如图2所示, 其中图2 (b, c) 分别为图2 (a) 中A点、B点的EDS分析, 图2 (d) 则为图2 (a) 的低倍相放大图片。由图2 (a) 中可以看出, 合金的晶界上存在有明显的粗大非平衡共晶相, 尺寸大小约为3~4μm左右, A点和B点的能谱分析结果表明, Cu和Mg的含量比接近1∶1, 此晶界相应是非平衡共晶Al₂Cu Mg相。

图3为合金2铸态的SEM形貌像及晶界颗粒状相的EDS分析图, 图3 (b~d) 分别为图3 (a) 中A, B, C 3个点的EDS分析图。由图3 (a) 知, 合金的晶界上有约为5~7μm左右大小的非平衡共晶相 (如B点形貌) 。另外合金内还有较亮的白色粒子, 一类是5~7μm左右大小的大粒子, 如图3 (a) 的A点;另一类是3~5μm左右大小的小粒子, 但很明亮, 如图3 (a) 中的C点。经能谱分析结果可知, A点Cu含量远高于Mg含量, Mg含量也高达6.95%, 但不含Er, 因此应是富Mg且含Mn和Fe的Al-Cu相。晶界上的B点的Cu含量很高, Mg的含量很低, Er的含量高达2.63%, 且Cu和Er的原子比大于4∶1, 则晶界上应为含Er且富Cu, Fe, Mn的Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 第二相粒子或Al₈Cu₄Er相^[8]。由SEM形貌和EDS分析可知, 合金2中的Er有较明显的偏聚现象发生。

图2 合金1在铸态条件下SEM形貌及EDS分析Fig.2SEM images and EDS analysis of Alloy 1 under as-cast condition

(a) SEM image for large magnification; (b) EDS analysis of Point A; (c) EDS analysis of Point B; (d) SEM image for low magnification

图3 合金2铸态条件下SEM形貌分析及EDS分析Fig.3SEM image and EDS analysis of Alloy 2 under as-cast condition

(a) SEM image for large magnification; (b) EDS analysis of Point A; (c) EDS analysis of Point B; (d) EDS analysis of Point C

图4所示为合金1铸态的第二相粒子SEM形貌及元素分布面扫分析图, 可发现沿晶界分布的大部分粒子为富Cu, Mg的非平衡共晶Al₂Cu Mg相。

图4 合金1铸态下的SEM面扫分析Fig.4 SEM plane scan analysis of Alloy 1 under as cast condi-tion

(a) Morphologies; (b) Al; (c) Cu; (d) Mg

图5所示为合金2在铸态条件下第二相粒子SEM形貌及元素分布面扫分析图。由图5可以发现, 大部分沿晶界分布第二相粒子为富Mg和Er的Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 粒子, 由此可见, Er元素在晶内和晶界的分布并不太均匀, 有一定程度的偏聚发生。

合金1经双级均匀化后的SEM形貌像及颗粒状相的EDS分析如图6所示, 其中图6 (b~d) 别为图6 (a) 中A, B, C点的EDS分析图。由图6 (a) 知, 合金在均匀化后存在两种颗粒状相, 一种为大小3~5μm的无规则形状的粒子, 形如图6 (a) 中A点和C点所示;另一种为如图6 (a) 中的B点所示圆形的白色粒子, 尺寸大小在5μm以下。经能谱分析结果可以得出结论, 这些应为含Cu, Mn, Fe元素的Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 杂质第二相粒子, 此外Mg元素并未进入到第二相粒子中。

如图7所示为合金1在T8峰时效条件下的SEM形貌像及对颗粒状相的EDS分析图, 图7 (b) , (c) 分别为图7 (a) 中A, B点的EDS分析图, 图7 (d) 是图7 (a) 的低倍相放大图片。由图7 (a) 可以看出, 合金中存在的颗粒状相是一种大小为5μm左右的无规则形状的白色粒子, 如图7 (a) 中A, B点所示, 经能谱分析结果可知, 这些主要为含Cu, Mg, Fe和Mn元素的化合物或杂质, 可为Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 杂质第二相粒子。

图5 合金2铸态条件下的SEM面扫分析Fig.5 SEM plane scan analysis of Alloy 2 under as cast condi-tion

(a) Morphologies; (b) Al; (c) Cu; (d) Mg; (e) Fe; (f) Mn; (g) Er

图6 合金1均匀化条件下SEM形貌及EDS分析Fig.6 SEM image and EDS analysis of Alloy 1 under homoge-nization mode

(a) SEM image; (b) EDS analysis of Point A; (c) EDS analysis of Point B; (d) EDS analysis of Point C

图7 合金1在T8峰时效 (32 h) 下SEM形貌及EDS分析Fig.7 SEM images and EDS analysis of Alloy 1 under T8 con-dition

(a) SEM images for large magnification; (b) EDS analysis of Point A; (c) EDS analysis of Point B; (d) SEM images for large magnification

合金2在T8峰时效条件下的SEM形貌及颗粒状相的EDS分析如图8所示, 图8 (b~d) 分别为图8 (a) 中A, B, C点的EDS分析图。由图8 (a) 知, 合金中存在的颗粒状相基本上是5μm左右的无规则形状的白色粒子, 能谱分析结果可知, 这些主要为含Cu, Mg, Fe和Mn元素的杂质第二相粒子, 而且虽然A, B, C点的各元素含量有所差别, 但其中Cu∶Er均接近于4∶1, Cu∶Fe (Mn) 大于2∶1, 因此第二相应是Al₈Cu₄Er相, 也可为Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 杂质第二相粒子。

图9所示为合金2在T8峰时效条件下第二相粒子的SEM形貌及元素分布面扫分析图。图9中可以发现, 大部分颗粒状相为富Cu, Fe, Mn, Er的Al₈Cu₄Er相或Al₇Cu₂ (Fe, Mn) 杂质第二相粒子, 其分布沿轧向排列且偏聚。

2.3 断口形貌

图10为合金1在T8状态下的拉伸断口形貌, 其中图10 (a) 是欠时效态 (4 h) , 而图10 (c) 是峰时效态 (32 h) 的拉伸断口形貌。图10 (b, d) 分别是图10 (a, c) 的局部放大图。从图10 (b) 上可以看到一些韧窝和撕裂棱, 没有明显的晶界和晶粒之间的区别, 但韧窝的深度较浅, 数量不多, 尺寸也不大。可以得出结论, 欠时效态合金1断裂的模式是沿晶脆性断裂和韧窝型塑性断裂的混合模式。而到峰时效态, 如图10 (d) 所示, 合金断裂形貌呈现典型的冰糖状断口, 只有较少数晶粒截面存在细小韧窝组织, 此时合金断裂模式主要以脆性沿晶断裂为主。

图8 合金2在T8峰时效 (32 h) 条件下SEM形貌及EDS分析Fig.8 SEM images and EDS analysis of Alloy 2 under T8 con-dition

(a) SEM image; (b) EDS analysis of Point A; (c) EDS analysis of Point B; (d) EDS analysis of Point C

图9 合金2在T8峰时效 (32 h) 下SEM面扫分析Fig.9 SEM plane scan analysis of Alloy 2 under T8 peak-ag-ing condition

(a) Morphologies; (b) Al; (c) Cu; (d) Mg; (e) Fe; (f) Mn; (g) Er

图1 0 合金1在T8状态下的拉伸断口形貌Fig.10SEM images of tensile fracture of Alloy 1 under T8 condition

(a, b) Under-aging (4 h) ; (c, d) Peak-aging (32 h)

图11所示为合金2在T8状态下的拉伸断口形貌, 其中图11 (a) 是合金欠时效态 (4 h) , 图11 (c) 是合金峰时效态 (32 h) 的拉伸断口形貌, 图11 (b, d) 分别是图11 (a, c) 的局部放大图。从图11 (b) 中可以看到较明显的冰糖状断口, 非常少数晶粒截面存在细小韧窝组织, 合金2在T8欠时效态下断裂模式是以沿晶脆性断裂为主, 韧窝型塑性断裂为辅的混合模式。到达峰时效后, 可见典型的冰糖状断口, 晶粒和晶界清晰, 大部分晶面棱角清晰, 几乎没有韧窝型塑性断裂断口, 全部为沿晶脆性断裂模式。

2.4 TEM图

图12为透射电镜下观察到的合金1和合金2在T8-150℃热处理条件下峰时效态的TEM像及其相应的衍射花样。从图12 (a) 可以观察到较为明亮的δ'相的斑点, 可知在峰时效状态下已析出的大量δ'相的, 通过图12 (a, c) 暗场照片比较可以看到峰时效下析出的大量细小弥散δ'相, 同时也析出了大量针状S'相。

图12 (b) 所示为透射电镜下观察到的合金2在150℃-T8峰时效状态下的TEM像及其相应的衍射花样, 图12中所示衍射斑点电子束从<001>α方向入射拍摄。由图12 (b) 中可以观察到明锐的δ'相的斑点, 说明合金2在峰时效时也已经析出了δ'相。从其暗场图片中可以观察到析出的δ'相的量比较多, 且分布细小弥散;通过对比可以发现同样在T8状态峰时效下, 合金2和合金1的δ'相析出量相差不多, 但重要的是, 通过对比图12 (c) 和 (d) , 合金1在峰时效下已经析出了大量S'相, 而合金2在峰时效态S'相数量较合金1少。

图1 1 合金2在T8状态下的拉伸断口形貌Fig.11SEM images of tensile fracture of Alloy 2 under T8 condition

(a, b) Under-aging (4 h) ; (c, d) Peak-aging (32 h)

图1 2 合金1和合金2在T8-150℃峰时效条件下的TEM像Fig.12 TEM image of Alloys 1 and 2 under T8-150℃peak-aging condition

(a) Alloy 1, phaseδ', b=<001>α; (b) Alloy 2, phaseδ', b=<001>α; (c) Alloy 1, phase S', b=<001>α; (d) Alloy 2, phase S', b=<001>α

2.5 分析与讨论

当Er被加入到不同的形变铝合金系中, 会产生不同的添加效果, 这是由于Er元素会和合金内不同的元素产生不同的相互作用。Karnesky等发现Er的添加会形成弥散分布的Al₃Er相, 起到较明显的时效强化效果^[9,10,11,12]。赵旭等^[13]却发现, 微量元素可细化晶粒提高再结晶温度, 却降低了合金强度, 这是由于Er可与Al, Cu发形成了与Al₈Cu₄Sc类似的低熔点共晶Al₈Cu₄Er相, 本身可以降低强度, 也可以使晶内其他析出强化相形成动力减弱^[14], 降低其强化效果。也有研究表明, Er的加入对主要强化相δ'相的形核与长大有比较大的促进作用^[15]。

通过力学测试性能结果可知, 添加了0.3%Er的合金2在T8态下合金峰值强度有所下降。SEM形貌、EDS分析和面扫分析可以表明, 添加了0.3%Er的1441合金, 由于Er元素在Al-Li合金中的固溶度很低, 从铸态开始就在晶界上发生了非常严重的偏聚, 并与Cu形成了Al₈Cu₄Er相, 直到固溶时效峰态, Al₈Cu₄Er相依然存在, 而与此同时并没有Al₃Er存在的有效证据。由此可以推断添加到合金内的Er已被晶界非平衡相耗尽, 可能并没有机会形成有强化效果的Al₃Er相, 合金的力学性能还可能由于晶界始终存在的粗大脆性难溶相反而受影响。断口SEM图片结果显示, 0.3%Er的合金2在欠时效下的断口为以沿晶脆性断裂为主, 韧窝型塑性断裂为辅的混合模式, 而峰时效下则几乎全为以沿晶脆性断裂, 而不添加Er元素的断口在欠时效下为沿晶脆性断裂和韧窝型塑性断裂的混合模式, 在峰时效下为沿晶脆性断裂为主。可得知, 添加Er元素使合金的沿晶脆性断裂倾向增大, 佐证了合金强度下降的力学性能表现。而观察TEM照片却发现, 峰时效下的合金1已经有大量的强化相S'存在, 同时合金2内部的S'相较合金1数量少。添加Er元素的1441合金性能发生下降有以下原因:Er元素与Cu元素在晶界富集偏聚, 形成了大量Al₈Cu₄Er相, 可降低晶粒内部的Cu含量, 不利于铝锂合金合金内部S'相析出。而且Er元素的添加并没有形成弥散强化相Al₃Er, 而是从铸态开始就在晶界上偏聚, 形成低熔点脆性相和含有杂质元素的第二相粒子, 他们会使晶界性能受到很大程度的影响, 会使合金强度降低, 在1441合金中这两种不利于强度的作用导致了合金强度的降低。与此同时Er的空位结合能较高, 会俘获大量空位进而减少合金内部的自由空位, 不利于溶质原子的扩散, 造成元素偏聚, 也会对合金强度产生不利影响。