周向，尹志民，段佳琦，趙凱，何振波,

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150060)

Al-Zn-Mg合金具有較高的強度、良好的塑性和可焊性、優(yōu)良的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于各種飛機的結(jié)構(gòu)件和其他要求強度高的高應(yīng)力焊接結(jié)構(gòu)件，是目前許多軍用和民用飛機、交通運輸工具中不可缺少的重要結(jié)構(gòu)材料。在 Al-Zn-Mg合金的基礎(chǔ)上，俄羅斯全俄輕合金研究所與全俄復(fù)合材料研究院合作，復(fù)合添加合金元素鈧和鋯，開發(fā)出了新型中強可焊Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金[1]。目前，國內(nèi)外對含 Sc的Al-Mg和 Al-Zn-Mg(-Cu)合金進行了研究。Ocenasek等[2]研究了添加Sc和Zr對Al-Mg合金再結(jié)晶行為的抑制作用。Yin等[3-4]研究了含 Sc，Zr的 Al-Mg和Al-Zn-Mg合金組織與性能，認為合金中Sc，Zr主要以初生Al3(Sc,Zr)和次生Al3(Sc,Zr) 2種形式存在，初生Al3(Sc,Zr)粒子可強烈細化合金的鑄態(tài)晶粒組織，次生 Al3(Sc,Zr)粒子能有效抑制合金加工和熱處理過程中的再結(jié)晶。Norman等[5]證實了Sc對7000系合金焊接性能的改善作用。Li等[6-7]還研究了微量 Sc和 Zr對Al-Zn-Mg-Cu合金組織性能的影響。在此，本文作者研究Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制備過程中的組織性能演變，旨在為該合金的工程化生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論和實驗依據(jù)。

1 材料與實驗方法

1.1 實驗材料

實驗用Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金由東北輕合金有限責(zé)任公司提供，合金成分(質(zhì)量分數(shù))見表1。合金采用半連續(xù)鑄造，鑄錠在350 ℃/8 h單級均勻化和350 ℃/8 h+470 ℃/24 h雙級均勻化后經(jīng)熱軋、中間退火、冷軋成板材，冷軋板經(jīng)470 ℃/1 h固溶后水淬，于120 ℃/24 h時效后得到成品板材。

表1 合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of experimental alloy %

1.2 實驗方法

采用HBE-3000硬度計和D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測量儀對不同處理狀態(tài)合金試樣進行硬度和電導(dǎo)率進行測試。拉伸力學(xué)性能測試在CSS電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為2 mm/min。X線衍射(XRD)物相分析在日本理學(xué)D/max-2500/PC型X線衍射儀上進行。采用掃描電鏡背散射電子成像技術(shù)和TECNAIG220透射電鏡(加速電壓為200 kV)對合金顯微組織進行觀察。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同處理狀態(tài)合金拉伸力學(xué)性能、硬度和電導(dǎo)率

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制備過程中不同處理狀態(tài)合金拉伸力學(xué)性能、硬度和電導(dǎo)率測試結(jié)果見表2。

表2 不同處理狀態(tài)合金拉伸力學(xué)性能、硬度和電導(dǎo)率Table 2 Tensile properties,Brinell hardness and conductivity of experimental alloy

從表2可知：鑄態(tài)合金經(jīng)均勻化后，抗拉強度和硬度下降，但雙級均勻化態(tài)的下降幅度較小，伸長率和電導(dǎo)率都略有升高；雙級均勻化態(tài)合金經(jīng)熱軋后抗拉強度、伸長率和電導(dǎo)率都升高；熱軋板材退火后，合金強度、硬度降低，伸長率升高；在隨后的冷軋過程中，合金強度、硬度升高，伸長率則顯著降低；冷軋板經(jīng)470 ℃/1 h固溶后，抗拉強度、屈服強度、硬度和伸長率都有了顯著提高，而電導(dǎo)率則大幅度降低；于120 ℃/24 h時效后，合金強度、硬度繼續(xù)增加，伸長率降低，而電導(dǎo)率則較固溶態(tài)時有所提高。

2.2 不同處理狀態(tài)合金顯微組織

2.2.1 SEM顯微組織和能譜分析

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制備過程中不同處理狀態(tài)下合金SEM顯微組織如圖1所示。

由圖1可知：鑄態(tài)合金為細小均勻的等軸晶，主要由α(Al)固溶體及晶界上的低熔點共晶相組成，能譜分析和后續(xù) XRD分析表明晶界上主要為 T相(Mg32(Al,Zn)49)和富Fe、Mn的雜質(zhì)相。鑄態(tài)合金單級均勻化后，T相并沒有消除；雙級均勻化后，T相回溶到基體之中。熱軋態(tài)、熱軋-退火態(tài)和冷軋態(tài)板材鋁基體上分布著大量第二相顆粒,沿軋制方向排布；能譜和后續(xù) XRD物相分析表明，該第二相顆粒為熱軋過程中析出的T相。于470 ℃固溶1 h后，熱軋過程中析出的T相幾乎完全固溶入基體，合金中只殘留少量的Fe和Mn雜質(zhì)相。經(jīng)T6時效處理后合金SEM顯微組織主要由鋁基體和Fe和Mn雜質(zhì)相組成。

圖1中A～E各點 EDS能譜分析(原子數(shù)分數(shù))見表3。

圖1 Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金SEM微觀形貌Fig.1 SEM images of Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy

2.2.2 XRD物相分析

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制備過程中不同處理狀態(tài)合金的XRD物相分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：鑄態(tài)和單級均勻化合金主要由α(Al)基體和在T相(Mg32(Al,Zn)49)組成，但單級均勻化態(tài)T相衍射峰較鑄態(tài)更明顯。而雙級均勻化態(tài)合金主要由α(Al)基體組成，并沒有發(fā)現(xiàn)T相。軋制后T相衍射峰再次出現(xiàn)，熱軋態(tài)、熱軋-退火態(tài)和冷軋態(tài)合金XRD圖譜并無太大差別。合金經(jīng)470 ℃固溶1 h后，T相完全溶入基體中；于120 ℃時效24 h后，合金XRD圖譜中出現(xiàn)MgZn2的衍射峰。

表3 圖1中A～E各點EDS結(jié)果Table 3 EDS analysis results of points marked in Fig.1 %

2.2.3 TEM顯微組織

圖2 不同處理狀態(tài)Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金XRD物相分析Fig.2 XRD patterns of Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy

圖3 Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材透射電鏡顯微組織Fig.3 TEM images of Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制備過程中不同狀態(tài)合金板材透射電鏡顯微組織如圖3所示。由圖3可知：鑄態(tài)合金晶內(nèi)除基體外還存在一些分布不均勻棒狀 T相。鑄態(tài)合金經(jīng)350 ℃/8 h單級均勻化后晶內(nèi)棒狀T相較鑄態(tài)分布更均勻，并且析出了大量與基體共格的馬蹄狀A(yù)l3(Sc,Zr)粒子；經(jīng)350 ℃/8 h+470 ℃/24 h雙級均勻化后，晶內(nèi)第二相幾乎全部回溶到鋁基體中。熱軋態(tài)合金主要由大量胞狀組織構(gòu)成，胞壁位錯密度高，胞內(nèi)位錯密度低。熱軋板經(jīng)370 ℃/2 h退火后，胞狀組織規(guī)整化，胞壁位錯密度降低，亞晶界位錯墻明顯。冷軋態(tài)合金中有大量密集的位錯纏結(jié)。冷軋板經(jīng)470 ℃/1 h固溶后，位錯纏結(jié)消失，亞晶清晰可見，還可以看到大量細小彌散分布的 Al3(Sc,Zr)粒子。于120 ℃/24 h時效后，晶粒內(nèi)部析出大量細小彌散η′相，晶界處有連續(xù)鏈狀η平衡相析出。

3 分析與討論

3.1 均勻化過程中合金組織性能的演變

Mondolfo等[8-9]指出Zn/Mg為0.14%～0.40%(質(zhì)量分數(shù))的鋁合金中，T相傾向于在較高的溫度下析出，而MgZn2平衡相則傾向于在低溫下析出。在半連續(xù)鑄造過程中，由于熔體結(jié)晶后的鑄錠冷卻速度很快，鑄態(tài)組織通常為非平衡凝固共晶組織。研究合金鑄態(tài)組織主要為亞穩(wěn)的過飽和固溶體以及凝固過程中形成的T相。由于單級均勻化的溫度沒有達到T相的溶解溫度，T相并不溶入基體；另一方面，亞穩(wěn)的過飽和固溶體在單級均勻化過程中會分解析出粗大的T相和細小彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子。在雙級均勻化過程中，由于第2級均勻化溫度很高，第1級均勻化過程中析出的T相在第2級均勻化過程中又逐漸回溶入基體固溶體中，而Al3(Sc,Zr)粒子因熱穩(wěn)定性高而不回溶。

合金的強度和硬度與基體的過飽和程度、第二相的粒度、粒形和物相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。單級均勻化處理過程中，彌散的Al3(Sc,Zr)粒子和大量粗大T相析出。一方面，彌散的 Al3(Sc,Zr)粒子有利于提高強度和硬度；但另一方面，由于析出溫度較高，析出粗大的 T相，同時過飽和度降低，導(dǎo)致合金強度、硬度大幅度下降。雙級均勻化過程中，T相又回溶到基體中，使過飽和度增大，但雙級均勻化態(tài)的過飽和度仍小于鑄造時激冷的過飽和度。因此，雙級均勻態(tài)合金強度和硬度比單級均勻化態(tài)要高，但較鑄態(tài)有所降低。

合金的電阻率與組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。按Mathiessen的理論[10]，合金的電阻率可以表示如下：

式中：ρ為合金的電阻率，ρ0為純鋁的電阻率；Δρ固溶為添加合金元素形成固溶體引起的電阻率變化值；Δρ析出為過飽和固溶體分解析出引起的電阻率變化值；Δρ空位，Δρ位錯和 Δρ晶界分別為空位、位錯和晶界變化引起的電阻率變化值。

研究表明，在多組元合金中，對電阻率影響最大的是Δρ固溶，其次為Δρ析出[10]。合金中有第二相粒子析出時，電阻率變化的主要因素有2個方面：一是過飽和固溶體的分解，固溶度減小，晶格正?；?，使合金電阻率下降，電導(dǎo)率上升；其次是第二相粒子從過飽和固溶體中析出，阻礙電子運動，增大散射概率，且合金結(jié)構(gòu)由單相變?yōu)閺?fù)相，電導(dǎo)率下降。

研究合金在單級均勻化過程中第二相粒子析出，固溶度減小引起的電導(dǎo)率上升比第二相粒子對電子的附加散射引起的電導(dǎo)率下降作用要大，因此，單級均勻化過程中合金的電導(dǎo)率提高。雙級均勻化第2級均勻化中，T相回溶入基體，固溶度增大，因此，雙級均勻化電導(dǎo)率較單級均勻化態(tài)小。

3.2 變形過程中合金組織性能的演變

由實驗結(jié)果可知Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金在均勻化處理過程中析出次生Al3(Sc,Zr)粒子，粒子細小、均勻、彌散，呈蹄印狀且與基體共格，滿足阻礙再結(jié)晶的要求(粒子間距λ＜1 μm，粒子直徑d＜0.3 μm)[11]。因此，熱軋板為非再結(jié)晶組織，而且在熱軋板高溫退火過程中，基體位錯密度有所降低，而Al3(Sc,Zr)粒子并無明顯變化，仍與基體保持共格關(guān)系，釘扎亞晶界和位錯，阻礙晶界的遷移和亞晶粒的長大[12-13]，變形組織得以保留。在合金熱軋過程中，引入了一定量的空位和位錯等缺陷，這些缺陷成為新相形核的有利位置，使得T相的形核能降低，T相又重新析出，因此，合金的電導(dǎo)率升高。退火后合金中位錯密度較熱軋態(tài)有所降低，冷軋后有重新引入了較多的位錯纏結(jié)。在退火和冷軋過程中，由于沒有明顯固溶度變化，因此，對電導(dǎo)率的影響不大。

3.3 固溶時效過程中合金組織性能的演變

Al-Zn-Mg合金主要通過固溶-時效析出而強化，獲得高過飽和度的固溶體，是時效析出強化的前提。實驗結(jié)果表明，冷軋板經(jīng)470 ℃固溶1 h后，熱軋過程中重新析出的T相充分固溶入基體，基體過飽和度增大固溶強化效果明顯。因此，固溶態(tài)合金較冷軋態(tài)強度和硬度有顯著提高，電導(dǎo)率大幅度降低。在固溶過程中并未發(fā)生明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，仍然保持纖維狀的加工組織。這是由于在均勻化過程中，析出的Al3(Sc,Zr)粒子能強烈釘扎亞晶界和位錯，阻礙晶界的遷移和亞晶粒的長大[12-13]。

Al-Zn-Mg合金沉淀相的析出序列為：αsss(過飽和固溶體)→GP區(qū)→η′過渡相(亞穩(wěn)態(tài)MgZn2)→η平衡相(MgZn2)[14-15]。合金在時效過程中的強度和硬度的變化主要由GP區(qū)、η′和η等沉淀相的數(shù)量和分布所決定。本實驗所研究的合金經(jīng)120 ℃/24 h時效后，過飽和固溶體中析出大量細小彌散與基體有較好的共格關(guān)系的η′相，對合金有很強的強化效果。彌散η′相粒子對合金屈服強度的貢獻可以用奧羅萬(Orowan)繞過機制[16]來解釋：

式中：Δτ為使位錯線通過粒子所需的臨界切應(yīng)力；G為剪切模量；φ為質(zhì)點體積分數(shù)；r為質(zhì)點半徑；b為柏氏矢量；r0為位錯芯半徑。繞過機制的強化效果隨質(zhì)點體積分數(shù)增大和尺寸的減小而增大。由于位錯每繞過1次粒子就留下1個位錯環(huán)，位錯環(huán)的存在使粒子間距減小，后續(xù)的位錯繞過粒子更加困難。因此，與固溶態(tài)相比，合金時效后強度和硬度升高。

4 結(jié)論

(1) Al-Zn-Mg-Sc-Zr鑄態(tài)合金單級均勻化后，過飽和固溶體分解析出 T(Mg32(Al,Zn)49)相和細小彌散的Al3(Sc,Zr)相；在雙均級均勻化第2級過程中，T相回溶到基體，而Al3(Sc,Zr) 粒子由于熱穩(wěn)定性高不回溶。

(2) 由于Al3(Sc,Zr)粒子的存在，合金熱軋后為纖維狀未再結(jié)晶組織，熱軋板退火后，基體位錯密度有所降低，Al3(Sc,Zr)粒子并無明顯長大。

(3) 在固溶過程中，T相溶解但細小彌散的Al3(Sc,Zr)粒子仍然存在，合金依然為纖維狀未再結(jié)晶組織，時效后合金析出大量彌散細小的η′相，具有很強的強化效果。

(4) 于120 ℃/24 h時效態(tài)Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金成品板材抗拉強度、屈服強度、伸長率和電導(dǎo)率分別為565MPa，558 MPa，9.8%和20.4 MS/m。

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