Zr与时效处理工艺对Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响
时间：2023-02-11 09:05:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林玉金，夏 鹏，周 楠，胡 权
（1.佛山市三水凤铝铝业有限公司，佛山 528133；
2.广东省科学院新材料研究所，广州 510650）
Al-Zn-Mg-Cu合金因其具有较低的密度和超高的强度而被广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通以及汽车等领域，近年来随着汽车、高铁等运输工具轻量化的快速发展，高性能铝合金材料特别是高强Al-Zn-Mg-Cu合金材料的需求日益增大。Al-Zn-Mg-Cu合金经适宜的时效处理后基本都能满足各类交通工具承载结构件对强度的要求，但是该系列合金作为轻量化材料应用时面临的应力腐蚀问题仍亟需解决[1-3]。
以往改善Al-Zn-Mg-Cu合金性能的研究大部分集中在晶内析出相和晶界无沉淀析出带（PFZ）等微观组织的影响上，如采用过时效（T7X）处理或者回归再时效（RRA）处理使晶界析出相粗化并呈不连续分布，从而达到降低合金的应力腐蚀开裂（SCC）敏感性的目的。此外，向变形铝合金中添加锆（Zr）等微量元素，可以有效抑制铝合金的再结晶行为，使Al-Zn-Mg-Cu合金经热变形以及后续热处理后仍保持高比例的变形纤维态组织，从而有利于提升抗应力腐蚀性能[4-7]。
然而目前，利用Zr等微量元素以及热处理工艺协同作用下的应力腐蚀行为机理尚不清晰。在此研究背景下，本文针对Al-Zn-Mg-Cu合金，利用锆元素微合金化方法结合不同的热处理工艺，探讨合金的第二相结构演变规律，同时揭示其对合金时效析出与腐蚀性能的影响机理。
试验采用Al-Zn-Mg-Cu基础合金以及添加锆的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其名义化学成分见表1中的1#与2#合金。合金熔铸完成后的光谱分析表明，除Zr元素外Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金与基础Al-Zn-Mg-Cu合金的成分基本接近，且前者的Cu和Zn含量稍高。两种合金铸锭均采用380℃/6 h+470℃/24 h的均匀化处理，然后在430℃保温1 h条件下以1 mm/s的挤压速度挤压成截面为60 mm×6 mm的带板。对获得的挤压材进行470℃/1 h的固溶处理，在水中淬火后再进行不同的人工时效处理，并开展人工时效状态下合金的力学性能和抗应力腐蚀性能研究。本试验中合金采用的时效处理制度如表2所示。
表1 试验合金的名义成分（质量分数/%）
表2 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金采用的时效处理制度
2.1 时效处理状态下的拉伸力学性能
Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金经不同时效处理后的拉伸力学性能如表3所示，图1为各合金各状态下代表性样品在室温拉伸条件下的应力-应变曲线。结果显示，在T6状态下，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金相对于Al-Zn-Mg-Cu合金具有更高的屈服强度与抗拉强度，而延伸率则稍低。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金经RRA处理后，合金屈服强度略微上升，抗拉强度略微下降，但延伸率较T6状态有显著的下降。经FSA处理后，合金的屈服强度与抗拉强度较RRA状态有小幅度下降，但延伸率显著提高。
表3 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金室温拉伸力学性能
图1 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金室温拉伸的应力-应变曲线
2.2 T6状态下的微观组织与抗应力腐蚀性能
2.2.1 TEM显微组织
图2为Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金T6状态下的TEM组织图像。从图2（a）可以发现，在1/3和2/3{220}Al的位置存在较明亮的对应η′析出相的斑点，说明Al-Zn-Mg-Cu合金经120℃/24 h人工时效后合金晶内的主要析出相为η′相。从图2（d）的衍射花样可以观察到除了存在η′相对应的斑点外，在{1，3/4，0}Al的位置的有较明显的GPI区对应的斑点存在，说明Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金经120℃/24 h人工时效后晶内的主要析出粒子为GPI区和η′相[8]，此外衍射花样中超点阵斑点说明该合金具有LI2型结构的Al3Zr粒子[9-10]。两种合金的晶界显微组织如图2（b）、图2（e）所示。Al-Zn-Mg-Cu合金在峰时效处理后晶界基本呈连续分布，且有比较明显的晶界无沉淀析出带（PFZ）形成，而Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金晶界析出相有离散分布的趋势，且没有明显的晶界PFZ形成。此外对比观察两种合金析出物形态可以发现，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金具有更多细小弥散的析出物。图2（c）、图2（f）为两种合金在低倍下的显微组织，对比观察可以发现Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金呈现更明显的亚晶结构，而在Al-Zn-Mg-Cu合金中只能观察到平直的再结晶晶界，并没有亚晶结构的形成。
图2 Al-Zn-Mg-Cu-(Zr)合金T6状态下的TEM组织图像（a、b、c为Al-Zn-Mg-Cu合金，d、e、f为Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金）
2.2.2 应力腐蚀行为
本研究采用慢应变拉伸试验测试合金的抗应力腐蚀性能。不同状态的试样分别在室温空气、室温3.5%NaCl溶液中进行慢应变拉伸试验，应变速率为1×10-6。表4为合金在空气及NaCl介质中的抗拉强度和延伸率。图3显示的是Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金在T6状态下的慢应变拉伸应力腐蚀测试结果。通过测算比较合金的抗应力腐蚀因子γSCC来衡量合金的抗应力腐蚀性能，抗应力腐蚀因子γSCC为合金试样在腐蚀介质中与空气中的延伸率的比值，即：
图3 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金的慢应变拉伸应力腐蚀测试结果
表4 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金在空气和NaCl介质中的抗拉强度、延伸率
γSCC值越小，说明合金在腐蚀溶液中比在空气环境中慢应变拉伸延伸率损失越大，对应力腐蚀更为敏感。结果显示，Al-Zn-Mg-Cu合金的γSCC值为0.75，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的γSCC值为0.88。可见双级均匀化处理条件下，峰时效态的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金具有更高的应力腐蚀抗力。
图4为两种合金在峰时效处理条件下的动电位极化曲线，表5为利用Tafel斜率分析测定的腐蚀电位（Ecorr）和腐蚀电流密度（Icorr）等电化学腐蚀参数结果。结果表明Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金具有相对更负的腐蚀电位，这可能与其在峰时效状态下析出产物更多相关，因为析出相粒子相对基体具有更低的电位。但是Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的腐蚀电流密度要小于Al-Zn-Mg-Cu合金，说明Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金具有更低的电化学腐蚀反应速率，这与合金的抗应力腐蚀性能保持一致。
图4 Al-Zn-Mg-Cu-（Zr）合金T6状态下中心和表层样品的动电位极化曲线
表5 利用Tafel斜率分析方法测定的两种不同合金在T6态时的电化学腐蚀参数
2.3 多级时效处理后的微观组织以及腐蚀性能
图5为Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金经RRA和FSA时效处理后的TEM组织图像。与图2（d）、图2（e）所示的峰时效态合金组织对比，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金RRA处理后的晶内组织明显粗化，如图5（a）所示。图中电子衍射花样中在1/3和2/3{220}Al位置明显斑点对应的是较粗的η′相粒子。在<011>晶带轴条件下，η′相粒子对应的是图中杆状或椭球形粒子，而图中尺寸较细的弥散析出物应为GP粒子。与RRA处理相比，FSA处理后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的电子衍射花样也存在η′相对应的衍射斑点，如图5（b）所示。但η′相衍射斑点强度较弱，观察明场相也可以发现尺寸较粗的杆状或椭球形粒子较少，而存在更多的是尺寸更小的细小弥散析出物，根据析出序列可以推断细小析出物应为GP区。FSA处理后合金新的GP区的形成应与其第三级自然时效以及第四级较低温度的人工时效制度有关。图5（b）、图5（d）为合金的晶界组织，可以发现两种处理条件下晶界析出相基本呈离散分布，其中RRA处理的合金晶界析出相断续分布更为明显且晶界析出相尺寸相对于FSA处理更大。此外RRA处理的合金晶界PFZ较FSA宽度更大。
图5 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金多级时效处理的TEM组织图像
图6为Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金在RRA与FSA处理状态下的慢应变拉伸应力腐蚀测试结果。结果显示，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金经RRA处理后的抗应力腐蚀因子rSCC值为0.87，经FSA处理后的rSCC值为0.88，两种多级时效处理合金的抗应力腐蚀性能较为接近，且相对于峰时效态合金，多级时效处理的合金抗应力腐蚀性能有一定程度的提高。
图6 多级时效处理的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的慢应变拉伸应力腐蚀测试结果
表6 Al-Zn-Mg-Cu-Zr（FSA、RRA）合金在空气和NaCl介质中的抗拉强度和延伸率
（1）Al-Zn-Mg-Cu合金经T6（120℃/24 h）时效处理后合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为522 MPa、575 MPa和10.9%；
添加Zr元素并在双级均匀化处理的条件下，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金经120℃/24 h时效处理后（T6）合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为615 MPa、656 MPa和10.7%，屈服与抗拉强度明显提升，并优于RRA、FSA工艺。
（2）在弥散Al3Zr粒子作用下，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金相对于Al-Zn-Mg-Cu合金经T6处理时有更多的GP区形成，并且具有更小尺寸的晶粒，晶界沉淀相的析出更为离散，表现出更低的应力腐蚀开裂敏感性。
（3）Al-Zn-Mg-Cu-Zr经过RRA和FSA处理后，抗应力腐蚀性能进一步提高，相对于RRA处理，FSA处理后的合金具有更多细小弥散的GP区，这有利于改善合金的塑性。
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