錳元素對(duì)噴射成形高強(qiáng)鋁合金固溶組織和性能的影響

錳元素對(duì)噴射成形高強(qiáng)鋁合金固溶組織和性能的影響季飛蔡元華張濟(jì)山郝斌（北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室100083）摘要：利用光鏡，掃描電鏡和X射線衍射的觀察以及力學(xué)性能檢測(cè)，研究了在高強(qiáng)鋁合金中加入錳后對(duì)合金固溶組織、拉伸性能以及斷口形貌的影響。結(jié)果表明，加入錳后能使固溶溫度得到提高；通過(guò)斷口形貌SEM掃描可以看出，含錳鋁合金的韌窩比不含錳鋁合金要細(xì)小，在不出現(xiàn)粗大含錳相時(shí)，加錳后斷口上沿晶斷裂減??；同時(shí)在高強(qiáng)鋁合金中添加錳元素能提高材料的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：噴射成形；超高強(qiáng)鋁合金；顯微組織；Mn；性能分類(lèi)號(hào)：InfluenceofMncontentonmicrostructureofspray-formed7xxxseriesaluminumalloyJIFei,CAIYuan-hua,ZHANGJi-shan,HAOBin(StateKeyLaboratoryofAdvancedMetalMaterial100083)Abstract:TheaffectofMnonsolutionstructure，tensilestrengthandmicrographsoffractureofultra-highstrengthaluminumalloyswerestudiedbyuseofOP,SEMandXRDanalysis.TheresultsshowthatMnelementwillincreasesolutiontemperature;aluminumalloywithmanganesehassmallersizeofdimpleandlowerfractionofintergranualfracturesurfacethanthoseofaluminumalloywithoutmanganesewhencoarseprecipitatescontainingmanganesedidnotappear;withmanganeseadded,itwillimproveYSandUTSofhighstrengthaluminumalloy.Keywords:spraydeposition;ultra-highstrengthaluminumalloy;microstructure;Mn;property前言高強(qiáng)鋁合金具有密度小，強(qiáng)度高，加工性能好等特點(diǎn)，在航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為主要航空航天結(jié)構(gòu)材料的鋁合金正向超高強(qiáng)度、耐腐蝕、低密度、耐熱方向發(fā)展[1，2]。其中，Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金具有廣闊應(yīng)用前景，其發(fā)展方向是進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和綜合性能[2]。在材料制備過(guò)程中，通過(guò)細(xì)化晶粒，提高合金元素的固溶度，添加微量元素，減少雜質(zhì)含量，選擇合適的熱處理工藝等方法都可以提高鋁合金的強(qiáng)度和塑性。隨著熱處理工藝的日趨完善，在鋁合金中添加微量元素從而提高鋁合金的綜合性能越來(lái)越受到研究者的重視。近年的研究發(fā)現(xiàn)，在7xxx系鋁合金中添加錳，不僅能細(xì)化晶粒、阻礙基體晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶，而且，在不降低鋁合金塑性和韌性的情況下，能顯著地提高鋁合金強(qiáng)度[3-5]。這主要是由于在鋁合金固溶體中形成了細(xì)小彌散的含錳相，這種在合金中均勻分布的含錳相的產(chǎn)生阻礙了晶粒的長(zhǎng)大。同時(shí)由于含錳相的硬度比鋁合金固溶體的硬度大許多，在合金塑性變形時(shí)，含錳相促進(jìn)了晶粒的均勻變形，使滑移難以進(jìn)行，從而降低了合金中的應(yīng)力應(yīng)變集中。本文分析了用噴射成形工藝制備的超高強(qiáng)鋁合金中加入錳含量為0.0%~2.0%的三種7xxx系超高強(qiáng)鋁合金，確定了在超高強(qiáng)鋁合金中添加錳元素對(duì)鋁合金固溶處理和拉伸性能的影響，為噴射成形超高強(qiáng)鋁合金成分設(shè)計(jì)以及變形加工熱處理提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方法迅實(shí)驗(yàn)用合金習(xí)成分愛(ài)如表1。的霧化氣體為剪工業(yè)純氮?dú)庳?，霧化壓力汗為即0.5料0.6決MPa籌；噴射時(shí)接渴受基板轉(zhuǎn)速?lài)W為接收盤(pán)旋弟轉(zhuǎn)速度30母60r費(fèi)pm娛，接受基板課下降速度為緩0.5mm榨/sec島，霧化距壟離途38號(hào)0冰400召mm五，斜噴角律20季30表°擊，噴射沉積混霧化溫度為裳720撫750翼℃副。秋沉積狡坯經(jīng)央機(jī)加工跑之后進(jìn)行擠窗壓。躬擠壓溫度為廉420許℃勁，妻擠壓比為2瞞0：1礦。防固溶箏處理碑時(shí)間定為9甚0min，卸固溶封溫度乒分別為央470打℃牧、崖480式℃檢、湊490鍋℃劃、歌500穗℃茶。叛設(shè)置了兩種賓時(shí)效制度，桃分別為負(fù)120僻℃樂(lè)×則24h鉆和胡1蛛3供0燥℃×揀2術(shù)0談h辭。蓬組織分析四和能譜分析猜在懸Cambr荷idge-豎S250究型掃描電能鏡（祥SEM星）上進(jìn)行，產(chǎn)X射線衍射橫在甚Phili舊psAP夢(mèng)D-10耕型射線衍射詞儀上完成扇，木強(qiáng)度測(cè)試在廣MTS81田0力學(xué)性能通試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)震行亦。做表1樸慧膠合金化學(xué)成儀分籠T努able1臭comp鉆ositi飄onso餐fall肉oys（m六assf播racti程on，%）躁Zn爆Mg描Cu本Mn室Al涼9檢.0頂%捐3源.0覽%冰1.5%叼0腿.0翅%倆B前al.肚9默.0據(jù)%臘3充.0聯(lián)%強(qiáng)1.5%監(jiān)1誰(shuí).0牧%死B撒al.彈9羽.0都%全3目.0檔%忽1.5%娘2.0%階B頑al.企試驗(yàn)結(jié)果詞及討論冊(cè)Mn對(duì)益固溶態(tài)組織容的影響折圖1是不含險(xiǎn)錳元素的鋁癢合金和含錳沙元素的鋁合惰金在不同固師溶溫度下岔同一放大倍率數(shù)的惠光鏡照片對(duì)桌比圖。頸從圖中可以扮看出，當(dāng)溫藍(lán)度達(dá)到撲48竄0爆℃購(gòu)時(shí)，不含錳捕元素的鋁合蕉金已經(jīng)開(kāi)始喪出現(xiàn)頓部分再亦晶粒現(xiàn)象億，腹而墓含錳元素的叫鋁合金你在苗480梁℃油時(shí)晶粒還十榨分細(xì)小，沒(méi)占有發(fā)生再結(jié)傭晶雷。虛溫度達(dá)到叼490午℃專(zhuān)時(shí)，不含錳侄元素的鋁合紋金出現(xiàn)完全瞇再結(jié)晶，含夸錳元素的鋁怕合金出現(xiàn)部毒分再結(jié)晶達(dá)。屑從光鏡照片攔對(duì)比中可以劉看出，含錳籌元素的鋁合教金晶粒長(zhǎng)大著速度明顯比工不含錳元素刮鋁合金的晶分粒長(zhǎng)大速度綿要慢。釀從圖中可以癥得出揪，錳元素的綱加入能有效壞的阻止晶粒榮長(zhǎng)大，蹄從而能夠盟提高如合金中的塑固溶溫度，腰進(jìn)而達(dá)到關(guān)在固溶處理圍過(guò)程中領(lǐng)使鋁合金中堵的第二相粒寧子充分鹽回?fù)?dān)溶肢的目的昂。悟（a）鑄0岸.購(gòu)0舉%束Mn姓,曠480筑℃連(b)榴0院.熄0蘋(píng)%兄Mn牢,棚490廉℃姥(c)輛2稿.枯0乓%捉Mn郵,扛480書(shū)℃億(d)健2抽.抹0僅%勺Mn漿,里490化℃少圖1固溶哪態(tài)合金金相悟組織照片真Fig.1純P萄ictur翁esof止meta落llogr塞aphic陰micr晝ostru兆cture餅afte沫rsol倒ution回trea泛tment巴身圖2擊為巷固溶組織最掃描電鏡照瞞片。從憑左冒圖中可以看堪出，當(dāng)固溶過(guò)溫度達(dá)到4件80肆℃即時(shí)，晌不含錳元素豐的鋁合金晶蠢內(nèi)的井析出相基本意上都已經(jīng)回魯溶，在晶內(nèi)臭已經(jīng)看不到識(shí)細(xì)小的白色葡點(diǎn)狀相，只枯在晶界上尚直有少量白色糾點(diǎn)狀相。通病過(guò)能譜分析秧可知，這些旬晶界上未溶汁的白色點(diǎn)狀適相為外富銅相，虎可知含銅相累的溶解溫度丈較高銅。卡含錳鋁合金斥的掃描電鏡咐照片言如右圖所示陣，妹通過(guò)能譜可偽知，航在晶界上存具在晶亮白色的協(xié)富銅相抱[7]偶和堆方塊狀的稅含錳相兩種堡相往。吊根據(jù)有關(guān)文耍獻(xiàn)報(bào)道，如縮果冷卻速度扯足夠大，錳畫(huà)在合金中的休固溶度能達(dá)剩到9.2%可[6]豈。但是由于喘噴射成形過(guò)疾程中冷速不忽夠，在冷卻哪過(guò)程中，在踏晶界上析出壁了含錳相，徒含錳相的尺拖寸大約在4晨～10程μ愉m之間。在卵擠壓過(guò)程中薄，有部分含生錳相被破碎堅(jiān)，大部分含鐮錳相的長(zhǎng)軸晶沿?cái)D壓方向怎發(fā)生旋轉(zhuǎn)，鼻所以從垂直唱擠壓方向看斑含錳相只有器方塊狀，沒(méi)剪有長(zhǎng)條形狀辭。舍（a）供0鑄.碗0隔%煌Mn厘，門(mén)480接℃討（b）獅2蛇.垃0序%量Mn敢,漏480皇℃出圖2高強(qiáng)訂鋁合金固溶乎態(tài)SEM照述片友Fig.2礙SEM昌pictu狀reso論fhig谷hstr被ength褲alum悅inum景alloy脆afte腳rsol遵ution許trea攤tment眼堤圖3為含錳倉(cāng)量為1.0喊%的鋁合金扶固溶處理后外的X射線衍改射圖。孤從圖中的X毅RD托分析可以看鼠出，隨溫度避升高，訴鋁合金中的嬌第二相粒子始逐漸回溶。占當(dāng)固溶溫度芬達(dá)到夫480鋒℃竟時(shí)科，習(xí)經(jīng)固溶處理斥后筍，MgZn襖2賭相已經(jīng)競(jìng)差不多全部塔溶解在基體賣(mài)中。滴當(dāng)固溶溫度狡達(dá)到振500啦℃迅時(shí)，妻部分Al謝6拼Mn相溶解銅到基體中目，同時(shí)緊沿?cái)D壓方向驢的織構(gòu)消除喚，晶粒發(fā)生漠完全再結(jié)晶求。從昏X射線衍射戒曲線上薯顯示為出在擠壓過(guò)程憐中消失的真衍射峰載在曲線上錢(qián)重新酷出現(xiàn)。杠不含錳鋁合桶金的X射線愧曲線和含錳租鋁合金的基復(fù)本相同，就狹是曲線中沒(méi)快有MnAl梳6秘相。甩圖3含1輪.0%Mn美的高強(qiáng)鋁合侵金的XRD選分析炭Fig.3引雄XRDa換nalys訊isof罩high貞stre攪ngth案alumi會(huì)numa點(diǎn)lloy兼with來(lái)1.0%腦Mn怪合金和力學(xué)性能批表1語(yǔ)所列是日485飛℃櫻，90mi墻n+恒120霉℃猜，24h迷固溶絮、表時(shí)效處理后品的百鋁合金職拉伸括性能得測(cè)試結(jié)果揉。從表中可訴以看出，外在加入錳元放素后，鋁合渡金的斷裂強(qiáng)蹲度售σ蟲(chóng)b弦和屈服強(qiáng)度井σ邀0.2岸都有很大提如高，延伸率麻略有下降。華由此可見(jiàn)，嫁目前所制備爐的錳增韌鋁姻合金達(dá)到了傷較高的強(qiáng)度黨水平。餃通過(guò)比較可熄知，抗鋁合金強(qiáng)度輝的提高主要瀉是由于在合股金內(nèi)部析出裝了含錳相。額含錳相主要愈有兩種形態(tài)貫。一種為在城噴射過(guò)程中兩析出的含錳率相，這種含鴨錳相尺寸較愁大注，栽一般為炒4～10提μ懸m皺，呈長(zhǎng)條形洞，沿晶界析傻出。一種為協(xié)熱處理過(guò)程若中析出的含嶺錳相，這種糾含錳相尺寸賢細(xì)小，集一般不超過(guò)馳1暮μ都m，鍛呈現(xiàn)問(wèn)晶須狀，在拆晶內(nèi)析出害。野少量粗大含袍錳相對(duì)合金喘性能的影響唉尚不明確，盛但如果析出旺大量驗(yàn)粗大驢含錳相，將網(wǎng)會(huì)降低合金驅(qū)的性能。彩當(dāng)錳含量達(dá)規(guī)到2.0%嘆時(shí)，辯由于噴射成召形過(guò)程中冷抽速不夠，權(quán)由于另在晶界上析棒出了大量的憤大尺寸含錳柴相，成為合籮金斷裂的斷柿裂源壞，所以鋁合覆金的拉伸力迷學(xué)性能有所勢(shì)下降。匪如何在噴射梁成形過(guò)程中烈提高錳元素冠在沉積坯中耐的固溶度，榜使錳元素能薪在后續(xù)熱加周工過(guò)程中以排晶須狀析出盤(pán)，是當(dāng)前研煤究的一個(gè)重輩點(diǎn)。足表2宴鋁合金室溫籍拉伸強(qiáng)度賺Table夢(mèng)2ten凡sile孩stren焰gtho員falu渠minum久allo誕yon體norma的ltem鬧perat剛ure唱合金果UTS/M弊Pa墓YS/MP獅a叼延伸率貢備注嫁AM20慚775伙750絲3.5%雀485灣℃雜×筋90min擠＋么120遞℃濾×英24h愚AM10盒803懼760盾4.0%膊485肆℃菠×鴿90min狹＋殊120傅℃救×糧24h拜AM00役606到560建4.5%時(shí)485叉℃植×嫂90min緒＋肉120緒℃德×懇24h輝合金斷裂行份為脊從圖4終（a）折中可見(jiàn)風(fēng)，倡不含錳兄鋁合金的車(chē)?yán)旒撼尸F(xiàn)纖維狀謊延伸斷裂，吹斷口遼以核微孔聚集而莖成的韌窩足為主，有少驢量貝晶界裂紋，暴顯示斷裂屬膏于第二相粒法子引起的晶犧內(nèi)斷裂與犯沿晶狐斷裂的混合驗(yàn)型斷裂糾[8]知。坡而在普含錳鋁合金迫中纖維狀組鋤織減少，滾相對(duì)不含錳掀鋁合金，其地沿晶斷裂有頓所減少。面從災(zāi)圖4獄（籠c叉）故和圖4（d啄）仇中可以看出丘，削含錳鋁合金恢大部分韌窩盟為分布均勻兵的等軸韌窩氧，直徑約小膀于1斧μ統(tǒng)m債。渾不含錳鋁合驅(qū)金韌窩尺寸奧大部分大于潮5鮮μ慧m。可見(jiàn)，膏在鋁合金中古添加錳元素布后能使斷口紫韌窩尺寸減厲小。嗓根據(jù)Nam卻等人的研究殖結(jié)果霞[9]謝：含Mn沉熊淀相作為一冰種位錯(cuò)不可夢(mèng)切割的粒子黨，它們和位捏錯(cuò)的交互作覽用，阻止了梨位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)艱，使得拉伸撲時(shí)硬化指數(shù)者明顯提高，息同時(shí)使得滑欠移在合金每玻一個(gè)晶粒中鄭均勻發(fā)生以健及促使平面薦滑移向交滑培移轉(zhuǎn)變，形亞成晶粒中均哄勻分布的細(xì)民小滑移帶，持而不是產(chǎn)生泊局部的應(yīng)變豎或應(yīng)力集中壽，從而使合環(huán)金維持一個(gè)礎(chǔ)較為恒定一賺致的延伸率肅，也隨之使盼斷口韌窩尺遷寸減小。目對(duì)于含有錳護(hù)元素的鋁合腫金，烈在斷口上還窯分布著一些圍尺寸為濾2規(guī)～6距μ混m的孔洞，轟是在已試樣吊拉伸過(guò)程中駐，亡晶界上粗大個(gè)的含錳相再脫離鋁合金兇基體時(shí)導(dǎo)致奸。捧從圖4（c末）和4（d親）中可以看局出，細(xì)當(dāng)臂錳含量葉不同時(shí)，隨蓬著錳含量的彈增加，腰由于冶粗大的含錳包相數(shù)量增加丈，敢鋁合金移試樣斷口上填沿晶羊斷裂塊有所待增加。遺（a）0陪.0%Mn魚(yú)具梅烏同驅(qū)（庫(kù)b）2.步0%Mn傘（址c）版1.0%夏Mn李渾霜處（d）椅2.0%M緊n燙圖4高強(qiáng)粘鋁合金拉伸盞斷口（SE誕M）像腹Fig.4鄭Tens脾ileS政EMfr且actog父raphs劑ofh幸ighs秘treng攤thal捐uminu哲mall果oy結(jié)論茂在高強(qiáng)鋁合缺金中加入錳稼元素后在固情溶過(guò)程中能赤有效抑制晶眨粒長(zhǎng)大，達(dá)仍到提高固溶悄溫度，讓第環(huán)二相粒子充旦分回溶的目源的。悲加入錳元素濤后恢，經(jīng)過(guò)弱適當(dāng)?shù)募夜倘芎凸磿r(shí)效處理，雜合金的拉伸投性能得到很仰大提高，但丸塑性有所下羅降。用在鋁合金中依添加錳元素狠能減小韌窩濾尺寸，降低證斷口中沿晶菌斷裂所占比賣(mài)例，從而改夸善高強(qiáng)鋁合份金的斷口組漲織形態(tài)，使睜之有利于提院高鋁合金的單韌性。但如轉(zhuǎn)果晶界上粗欺大含錳相過(guò)順多，將會(huì)促考使沿晶斷裂胃增加。參考文獻(xiàn)剛Imamu葵raT.不JJp鄙nLig莊htMe伙t,19哭99;4科9:302時(shí)(今村次男膛.輕金屬,飽1999纏;49:閣302).每Lukas導(dǎo)akD篩A,Ha掃rtR.希M.Ad任vMat農(nóng)erPr哨ocess訓(xùn)es,1步991;1楚0:46記K.C.齒Kim,距S.W.菜Nam檔.Eff閃ecto角fMn-凡dispe跨rsoid桑son捧thef把a(bǔ)tigu米emec旨hanis寸min嗓anAl狡-Zn-M凈gall獸oy.M尸ateri挨alsS悶cienc舉eand猶Engi穩(wěn)neeri嘗ngA2冤24（19芹98）25兆7-262飄.名守ark，艷楊am.E傻ffect頑sof瞞manga伍nese卡dispe莫rsoid彎ont配heme慢chani乎calp乓roper紐ties儀inA