Er 对Al-Cu-Mg-Ag 合金组织与性能.pdf

热加工工艺2011年第40卷第10期 下半月出版材料热处理技术Material 2.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,湖南 长沙 410083 摘要综述了Er元素对Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织、力学性能和析出特性的影响，并指出今后含Er的Al-Cu-Mg-Ag 合金发展方向。 关键词Al-Cu-Mg-Ag合金；Er元素； 微观组织； 力学性能 中图分类号TG146.21文献标识码A文章编号1001-3814201110-0001-04 Research Progress on Effects of Er Content on Microstructure and Mechanical Properties of Al-Cu-Mg-Ag Alloy DUAN Anjing1, OU Yaohui1, QIN Jianjun1, LIU Zhiyi2 1. Sanyi Heavy Industry, Changsha 410100, China; 2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China AbstractThe effects of element Er on microstructure and properties of as-cast Al-Cu-Mg-Ag alloy were summarized, and some suggestions for the further exploration of Al-Cu-Mg-Ag alloy with Er were put forward. Key wordsAl-Cu-Mg-Ag alloy; element Er; microstructure; mechanical properties 收稿日期2010-10-09 基金项目国家“973”重点基础研究发展计划项目2005CB623705-04 作者简介段安婧1984- ,女,山西太原人,工程师,硕士,主要研究方向 为铝合金热处理工艺;电话0731-84038467; E-mailduananjing 1 Hot Working Technology2011, Vol.40,No.10 材料热处理技术Material Heat Treatment2011年5月 评述。 1Er元素与合金元素的交互作用 图1为Al-Er二元系相图。 从富铝角相图可看 出，Er在铝合金中可能会以ErAl3的形式存在，其晶 格常数为4.212，与铝基体晶格常数4.050相差4。 根据晶格错配理论，在铝合金中形成的Al3Er粒子， 在非平衡凝固过程中能起到异质形核的作用， 细化 晶粒。从相图还可看出，Er元素在铝合金基体中的溶解 度很小， 因此其固溶强化不会对合金性能起到很大 作用。 从富铝角相图的共晶温度可看出，Er在铝合 金中能否以异质形核的作用细化晶粒，还与Er元素 在高温熔体中的结晶行为以及结晶体熔点有关。 图2为Er-Cu-Al三元系合金600℃等温截面相 图[15]。 从三元相图富铝角部分可看出，铝合金中添加 过量Er元素时，Er会与Al、Cu元素相互作用，形成 ErCu4Al8三元金属间化合物， 消耗合金中Cu元素， 降低合金中有效Cu元素含量。 对稀土合金化的大 量研究表明，稀土三元金属间化合物为脆性相，在变 形过程中被细化，能提高合金的高温性能，降低疲劳 裂纹扩展速率。 Al-Cu-Mg-Ag合金为四元合金系，其中Ag、Mg 主成分元素含量较低， 从Ag、Mg元素与Er元素的 二元相图看出，在Er元素添加时元素间的作用不强 烈，在成分设计过程中不用考虑稀土元素与Ag、Mg 元素的相互作用。 因此，合金化元素Er添加量的选 择除了要考虑细化晶粒的可能性之外， 还要考虑三 元金属间化合物的形成以及对性能的影响。 考虑到 稀土元素与合金主要元素的交互作用，Er元素量的 添加水平以0.2～0.5为佳。 2Er元素对合金力学性能的影响 稀土元素Er对Al-Cu-Mg-Ag合金的时效强化 速度有很大影响。 李云涛等[16]指出不含Er的合金在 时效0.5h后抗拉强度就达到404MPa， 而Er含量为 0.25的合金在时效0.5h时抗拉强度只有360 MPa。 随着时效时间的延长， 不含Er的合金强度迅速上 升，在时效5 h附近就到达峰时效状态，抗拉强度为 462 MPa；含Er的合金强度上升则比较缓慢，时效5h 时的抗拉强度仅为398 MPa， 时效至10h时抗拉强 度才达到最大值449 MPa。 由此可见，添加元素Er 延迟了Al-4.7Cu-0.5Mg-0.5Ag合金的时效响应。 另 外，通过两种实验合金的力学性能数据对比可知，添 加Er元素对合金的强度影响不大，两种合金的最大 抗拉强度UTS均维持在460 MPa左右。 从伸长率 数据可发现，添加Er元素提高了合金的塑性变形能 力。 与不含Er元素的合金相比，含0.25Er的合金 峰时效态伸长率提高了13。 分析原因主要是由于 Er元素具有良好的精炼除气作用，它能与氢形成氢 化物，降低了合金熔体中氢的活度，同时减少了合金 中针孔与气孔，提高了铝合金质量。 3Er元素对合金铸态组织的影响 现有研究表明，Er、Ce在Al-Cu-Mg-Ag合金中 晶粒细化效果以及对晶粒形貌的影响类似。 肖代 红等[17]通过研究Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金中添加 0.2Er元素后铸态组织的变化， 得出结论Er元素 可显著降低铸态合金的晶粒尺寸， 形成弥散分布的 Al8Cu4Er稀土化合物， 提高铸态合金的室温与高温 力学性能。 分析原因主要为微量Er对合金的细化 作用在于合金在凝固过程中，Er元素聚集在固液界 面前沿，引起溶质再分配，增大了合金在凝固过程中 AlEr Cu ErCu5 ErCu2 ErCu β γ δ ε θ 11 5 2 13 20a b T600℃ a Er2Cu3Al5 b Er5Cu6Al9～τ18 图2 Er-Cu-Al合金600℃富铝角相图 Fig.2 Er-Cu-Al ternary phase diagram at 600℃ 1600 1400 1200 1000 800 600 400 温度/℃ 0102030405060708090100 Al 660.452℃ 655℃ 1455℃ 1529℃ 1065℃1070℃ 1045℃90 96 1005℃ Er AlEr2 ErAl3 Al2Er AlEr Al2Er3 L AlEr 图1 Er-Al二元系相图 Fig.1 Er-Al binary phase diagram ErAl3 ErAl2 ErAl Er3Al2 Er2Al 2 热加工工艺2011年第40卷第10期 下半月出版材料热处理技术Material Heat Treatment 200μm200μm200μm 图3 Al-Cu-Mg-Ag合金的铸态显微组织 Fig.3 As-cast microstructure of Al-Cu-Mg-Ag alloy a0Erc0.5Erb0.25Er 的成分过冷，促进枝晶生长，从而使枝晶网胞变细， 晶粒得到细化；另外，Al8Cu4Er相在凝固过程中优先 形成，可作为非均匀形核的质点，提高形核率，同时 也有利于阻碍晶粒长大。 李云涛等[18]通过研究Al-4.7Cu-0.4Mg-0.25Ag合 金中添加0.5Er元素后铸态组织的变化，得出的结论 与肖代红等人相似Er可有效细化Al-Cu-Mg-Ag合 金铸态组织的晶粒，延缓Ω相的形核速率，并通过 阻碍Ω相的长大而提高Ω相的热稳定性， 从而改 善Al-Cu-Mg-Ag合金的室温与高温力学性能。 图3 为Er对Al-4.7Cu-0.5Mg-0.5Ag合金铸态晶粒度的 影响[18]。 从图3a可看出，Al-4.7Cu-0.5Mg-0.5Ag合 金铸态组织为典型的枝晶组织， 枝晶组织以二次枝晶 为主。 枝晶间存在凝固过程中形成的一次共晶相，晶间 网胞连续、宽厚。 合金铸态晶粒粗大，尺寸为1 mm。 从 图3b可看出，添加0.25Er元素后Al-4.7Cu-0.5Mg- 0.5Ag合金晶粒在一定程度上被细化， 晶粒尺寸细 化至400μm。 晶粒除了具有完整的二次枝晶外还出 现大量的三次枝晶，而且晶间网胞变薄，在枝晶间同 样存在着共晶组织，枝晶臂间距减小。 当Er含量增 加为0.5时，合金晶粒被细化至200μm，如图3c 所示，合金铸态组织还是以枝晶状形态存在，但是枝 晶生长明显不发达，枝晶臂间距明显变小。晶粒大部 分为等轴晶，晶间网络进一步变薄，而且不再形成连 续状的晶间网胞。 这些组织上的差异主要是由于在 合金凝固过程中，Er元素聚集在固液界面前沿， 引起 溶质再分配， 增大了合金在凝固过程中的成分过冷， 促进枝晶的生长，从而使枝晶网胞变细，晶粒细化。 4Er元素对合金析出特性的影响 铝合金沉淀强化的过程就是过饱和固溶体析出 相的形核、长大与粗化的过程，同时也是溶质原子通 过与空位的交互作用而进行扩散的过程， 即淬火保 留下来的空位提供溶质原子扩散通道。 从微观组织 分析可看出[16]，人工时效过程中两种合金的主要强 化相均为Ω相和θ相，其中θ相的析出序列一致认 为[19]是α过饱和固溶体SSS→GP区→θ相→θ 相→θ相； 虽然Ω相的析出序列还存在一定的争 议，但大量研究已经证实[20-22]过饱和固溶体中Ag、 Mg原子团的偏聚成为Ω相生成的形核核心， 促进 Ω相的析出。这说明添加Er元素并没有改变生成相 的析出序列。 通过Er元素对合金力学性能影响的研究可知， 添加稀土Er后合金的时效响应呈现出以下特点合 金首先经历了一个较长的孕育期， 其后硬化过程陡 然增加。Er元素的这种特性与Cd在Al-Cu合金中 时效特性类似。 在人工时效的初期，含Er的合金强 化相中没有明显析出Ω相， 而不含Er的合金已经 析出了大量的Ω相。这就说明在Al-Cu-Mg-Ag合金 中添加Er元素,阻碍了Ag、Mg原子团的形成。Er元 素的这种作用可能主要是Er原子与淬火保留下来 的空位优先交互作用， 降低了Ag、Mg原子用于扩 散形成Ag、Mg原子团的空位数量， 从而推迟了Ω 相的析出。 另外，通过对Er元素在合金中存在形式 的研究可知， 在随后的人工时效过程中，Er元素一 部分固溶于基体，另外一部分与Cu原子和Al原子 结合形成Al8Cu4Er相，消耗了合金中的Cu原子，降 低了过饱和固溶体中Cu原子的浓度， 使得在时效 过程中沉淀析出的Ω相减少， 延缓了峰时效的到 来。 一般认为Al8Cu4Er相为脆性质点，在轧制过程 中被破碎，这些在基体中弥散分布的Al8Cu4Er相在 合金塑性变形过程中可以阻碍位错的滑移， 从而提 高了合金的强度。从微观组织分析可看出，合金中添 加Er元素可以促进Al3Zr粒子的二次析出。 人工时 3 Hot Working Technology2011, Vol.40,No.10 材料热处理技术Material Heat Treatment2011年5月 效过程中析出的Al3Zr与基体共格， 可以有效地提 高合金的抗拉强度。正是由于Er元素的固溶强化作 用以及破碎的Al8Cu4Er相和二次析出Al3Zr粒子对 强度的贡献， 抵消了Ω相析出减少合金强度下降， 使得合金的强度相差不大。 5研究展望 到目前为止，稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显 微组织和力学性能的影响已经得到了相应的研究。 研究表明， 添加合适的Er元素可以有效地抑制Ω 相的生长速率，细化铸态组织的晶粒，从而提高合金 综合力学性能。 但有关稀土添加改善铝合金疲劳性 能的研究不多。从疲劳性能的影响因素可看出，要提 高沉淀强化铝合金的疲劳性能，必须净化熔体，降低 在杂质相界面的裂纹萌生；控制晶内析出相的大小、 分布，强化合金晶界；控制合适的晶粒度。 而在铝合 金中添加稀土元素，能有效净化熔体， 改变杂质相 大小和形貌，改善微观组织，细化沉淀相，强化晶界。 通过添加稀土提高合金的疲劳性能是一种可行的途 径。 由于Al-Cu-Mg-Ag合金是继2618铝合金之后 最有希望成为高速战机蒙皮材料的新型耐热铝合 金，通常需要在室温或高温下长时间使用， 因此抗 蠕变和抗疲劳性能是Al-Cu-Mg-Ag合金更加重要 的 性 能 指 标 。目 前 国 内 外 关 于 稀 土 元 素 对 Al-Cu-Mg-Ag合金室温及高温抗蠕变和抗疲劳性能 影响的报道很少， 未来研究的发展方向是进一步研 究稀土元素Er对Al-Cu-Mg-Ag合金抗蠕变和抗疲 劳性能的影响，从而拓展该合金的使用范围。 参考文献 [1]刘静安，温育智．稀土在有色金属工业中的开发与应用[J]． 四川有色金属，2002，47-12． [2]赖华清，徐翔，范宏训．稀土在铸造合金中的作用[J]．热加工 工艺，2001，537-39． [3]魏晓伟，曾明．稀土对高强度铸造铝铜合金的影响[J]．四川 工业学院学报，1996，15321-25． [4]应建中，谢世坤，易荣喜，等．稀土元素Ce对Al-4.5Cu合金性 能的影响[J]．热加工工艺，2009，382211-13． [5]易荣喜，谢世坤，黄文先，等．稀土铝合金半固态坯料制备的 研究[J]．热加工工艺，2008，372330-32． [6]杨军军，聂祚仁，金头男，等．稀土铒在Al-Zn-Mg合金中的存 在形式与细化机理[J]．中国有色金属学报，2004，1404 620-626． 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