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1、锰元素对喷射成形高强铝合金固溶组织和性能的影响季飞 蔡元华 张济山 郝斌（北京科技大学新金属材料国家重点实验室 100083）摘要：利用光镜，扫描电镜和X射线衍射的观察以及力学性能检测，研究了在高强铝合金中加入锰后对合金固溶组织、拉伸性能以及断口形貌的影响。结果表明，加入锰后能使固溶温度得到提高；通过断口形貌SEM扫描可以看出，含锰铝合金的韧窝比不含锰铝合金要细小，在不出现粗大含锰相时，加锰后断口上沿晶断裂减小；同时在高强铝合金中添加锰元素能提高材料的屈服强度和极限抗拉强度。关键词：喷射成形；超高强铝合金；显微组织；Mn；性能分类号：Influence of Mn content on mic
2、rostructure of spray-formed 7xxx series aluminum alloyJI Fei, CAI Yuan-hua, ZHANG Ji-shan, HAO Bin (State Key Laboratory of Advanced Metal Material 100083)Abstract: The affect of Mn on solution structure，tensile strength and micrographs of fracture of ultra-high strength aluminum alloys were studied
3、 by use of OP,SEM and XRD analysis. The results show that Mn element will increase solution temperature; aluminum alloy with manganese has smaller size of dimple and lower fraction of intergranual fracture surface than those of aluminum alloy without manganese when coarse precipitates containing man
4、ganese did not appear; with manganese added, it will improve YS and UTS of high strength aluminum alloy.Key words: spray deposition; ultra-high strength aluminum alloy; microstructure; Mn; property前言高强铝合金具有密度小，强度高，加工性能好等特点，在航空航天和交通运输等领域得到广泛应用。作为主要航空航天结构材料的铝合金正向超高强度、耐腐蚀、低密度、耐热方向发展1，2。其中，Al-Zn-Mg-Cu系超
5、高强铝合金具有广阔应用前景，其发展方向是进一步提高合金的强度和综合性能2。在材料制备过程中，通过细化晶粒，提高合金元素的固溶度，添加微量元素，减少杂质含量，选择合适的热处理工艺等方法都可以提高铝合金的强度和塑性。随着热处理工艺的日趋完善，在铝合金中添加微量元素从而提高铝合金的综合性能越来越受到研究者的重视。近年的研究发现，在7xxx系铝合金中添加锰，不仅能细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶，而且，在不降低铝合金塑性和韧性的情况下，能显著地提高铝合金强度3-5。这主要是由于在铝合金固溶体中形成了细小弥散的含锰相，这种在合金中均匀分布的含锰相的产生阻碍了晶粒的长大。同时由于含锰相的硬度比铝合金固溶
6、体的硬度大许多，在合金塑性变形时，含锰相促进了晶粒的均匀变形，使滑移难以进行，从而降低了合金中的应力应变集中。本文分析了用喷射成形工艺制备的超高强铝合金中加入锰含量为0.0%2.0%的三种7xxx系超高强铝合金，确定了在超高强铝合金中添加锰元素对铝合金固溶处理和拉伸性能的影响，为喷射成形超高强铝合金成分设计以及变形加工热处理提供依据。1 实验方法实验用合金成分如表1。雾化气体为工业纯氮气，雾化压力为0.50.6MPa；喷射时接受基板转速为接收盘旋转速度3060rpm，接受基板下降速度为0.5mm/sec， 雾化距离380400mm ，斜喷角2030，喷射沉积雾化温度为720750。沉积坯经机加
7、工之后进行挤压。挤压温度为420，挤压比为20：1。固溶处理时间定为90min，固溶温度分别为470、480、490、500。设置了两种时效制度，分别为12024h和13020h。组织分析和能谱分析在Cambridge-S250 型扫描电镜（SEM）上进行，X射线衍射在Philips APD-10型射线衍射仪上完成，强度测试在MTS810力学性能试验机上进行。表1合金化学成分Table1 compositions of alloys（mass fraction，%）ZnMgCuMnAl9.0%3.0%1.5%0.0%Bal.9.0%3.0%1.5%1.0%Bal.9.0%3.0%1.5%2.0
8、%Bal.2 试验结果及讨论2.1 Mn对固溶态组织的影响图1是不含锰元素的铝合金和含锰元素的铝合金在不同固溶温度下同一放大倍数的光镜照片对比图。从图中可以看出，当温度达到480时，不含锰元素的铝合金已经开始出现部分再晶粒现象，而含锰元素的铝合金在480时晶粒还十分细小，没有发生再结晶。温度达到490时，不含锰元素的铝合金出现完全再结晶，含锰元素的铝合金出现部分再结晶。从光镜照片对比中可以看出，含锰元素的铝合金晶粒长大速度明显比不含锰元素铝合金的晶粒长大速度要慢。从图中可以得出，锰元素的加入能有效的阻止晶粒长大，从而能够提高合金的固溶温度，进而达到在固溶处理过程中使铝合金中的第二相粒子充分回溶
9、的目的。 （a） 0.0%Mn,480 (b) 0.0%Mn,490 (c) 2.0%Mn,480 (d) 2.0%Mn,490 图1 固溶态合金金相组织照片Fig.1 Pictures of metallographic microstructure after solution treatment 图2为固溶组织扫描电镜照片。从左图中可以看出，当固溶温度达到480时，不含锰元素的铝合金晶内的析出相基本上都已经回溶，在晶内已经看不到细小的白色点状相，只在晶界上尚有少量白色点状相。通过能谱分析可知，这些晶界上未溶的白色点状相为富铜相，可知含铜相的溶解温度较高。含锰铝合金的扫描电镜照片如右图所示
10、，通过能谱可知，在晶界上存在亮白色的富铜相7和方块状的含锰相两种相。根据有关文献报道，如果冷却速度足够大，锰在合金中的固溶度能达到9.2%6。但是由于喷射成形过程中冷速不够，在冷却过程中，在晶界上析出了含锰相，含锰相的尺寸大约在410m之间。在挤压过程中，有部分含锰相被破碎，大部分含锰相的长轴沿挤压方向发生旋转，所以从垂直挤压方向看含锰相只有方块状，没有长条形状。 （a） 0.0%Mn，480 （b） 2.0%Mn,480图2 高强铝合金固溶态SEM照片Fig.2 SEM pictures of high strength aluminum alloy after solution treat
11、ment 图3为含锰量为1.0%的铝合金固溶处理后的X射线衍射图。从图中的XRD分析可以看出，随温度升高，铝合金中的第二相粒子逐渐回溶。当固溶温度达到480时，经固溶处理后，MgZn2相已经差不多全部溶解在基体中。当固溶温度达到500时，部分Al6Mn相溶解到基体中，同时沿挤压方向的织构消除，晶粒发生完全再结晶。从X射线衍射曲线上显示为在挤压过程中消失的衍射峰在曲线上重新出现。不含锰铝合金的X射线曲线和含锰铝合金的基本相同，就是曲线中没有MnAl6相。 图3 含1.0%Mn的高强铝合金的XRD分析Fig.3 XRD analysis of high strength aluminum allo
12、y with 1.0% Mn2.2 合金力学性能表1所列是485，90min+120，24h固溶、时效处理后的铝合金拉伸性能测试结果。从表中可以看出，在加入锰元素后，铝合金的断裂强度b和屈服强度0.2都有很大提高，延伸率略有下降。由此可见，目前所制备的锰增韧铝合金达到了较高的强度水平。通过比较可知，铝合金强度的提高主要是由于在合金内部析出了含锰相。含锰相主要有两种形态。一种为在喷射过程中析出的含锰相，这种含锰相尺寸较大，一般为410m，呈长条形，沿晶界析出。一种为热处理过程中析出的含锰相，这种含锰相尺寸细小，一般不超过1m，呈现晶须状，在晶内析出。少量粗大含锰相对合金性能的影响尚不明确，但如果
13、析出大量粗大含锰相，将会降低合金的性能。当锰含量达到2.0%时，由于喷射成形过程中冷速不够，由于在晶界上析出了大量的大尺寸含锰相，成为合金断裂的断裂源，所以铝合金的拉伸力学性能有所下降。如何在喷射成形过程中提高锰元素在沉积坯中的固溶度，使锰元素能在后续热加工过程中以晶须状析出，是当前研究的一个重点。表2 铝合金室温拉伸强度Table2 tensile strength of aluminum alloy on normal temperature 合金UTS/MPaYS/MPa延伸率备注AM207757503.5%48590min12024hAM108037604.0%48590min1202
14、4hAM006065604.5%48590min12024h2.3 合金断裂行为从图4（a）中可见，不含锰铝合金的拉伸件呈现纤维状延伸断裂，断口以微孔聚集而成的韧窝为主，有少量晶界裂纹，显示断裂属于第二相粒子引起的晶内断裂与沿晶断裂的混合型断裂8。而在含锰铝合金中纤维状组织减少，相对不含锰铝合金，其沿晶断裂有所减少。从图4（c）和图4（d）中可以看出，含锰铝合金大部分韧窝为分布均匀的等轴韧窝，直径约小于1m。不含锰铝合金韧窝尺寸大部分大于5m。可见，在铝合金中添加锰元素后能使断口韧窝尺寸减小。根据Nam等人的研究结果9：含Mn沉淀相作为一种位错不可切割的粒子，它们和位错的交互作用，阻止了位错的
15、运动，使得拉伸时硬化指数明显提高，同时使得滑移在合金每一个晶粒中均匀发生以及促使平面滑移向交滑移转变，形成晶粒中均匀分布的细小滑移带，而不是产生局部的应变或应力集中，从而使合金维持一个较为恒定一致的延伸率，也随之使断口韧窝尺寸减小。对于含有锰元素的铝合金，在断口上还分布着一些尺寸为26m的孔洞，是在试样拉伸过程中，晶界上粗大的含锰相脱离铝合金基体时导致。从图4（c）和4（d）中可以看出，当锰含量不同时，随着锰含量的增加，由于粗大的含锰相数量增加，铝合金试样断口上沿晶断裂有所增加。 （a） 0.0%Mn （b） 2.0%Mn （c） 1.0%Mn （d） 2.0%Mn图4 高强铝合金拉伸断口（S
16、EM）像Fig.4 Tensile SEM fractographs of high strength aluminum alloy3 结论1 在高强铝合金中加入锰元素后在固溶过程中能有效抑制晶粒长大，达到提高固溶温度，让第二相粒子充分回溶的目的。2 加入锰元素后，经过适当的固溶和时效处理，合金的拉伸性能得到很大提高，但塑性有所下降。3 在铝合金中添加锰元素能减小韧窝尺寸，降低断口中沿晶断裂所占比例，从而改善高强铝合金的断口组织形态，使之有利于提高铝合金的韧性。但如果晶界上粗大含锰相过多，将会促使沿晶断裂增加。参考文献1 Imamura T. J Jpn Light Met, 1999; 49
17、:302(今村次男.轻金属, 1999; 49:302).2 Lukasak D A, Hart R.M. Adv Mater Processes, 1991;10:463 K.C. Kim, S.W. Nam. Effect of Mn-dispersoids on the fatigue mechanism in an Al-Zn-Mg alloy. Materials Science and Engineering A224（1998）257-262.4 D.S.Park， S.W.Nam. Effects of manganese dispersoid on the mechanica
18、l properties in Al-Zn-Mg alloys. Journal of Materials ScienceJ,1995, Vols.30(5):1313-1320.5 Byeong Ook Kong, Soo Woo Nam. Investigation of growth mechanism and orientation relationship of Mn-dispersoid and Al-Zn-Mg-Mn alloy. Materials Letters 28(1996)385-391.6 .科瓦索夫,.弗里德良捷尔主编 韩秉诚等译.工业铝合金.冶金工业出版社，1981,23-35.7 Zwichau E C, Freiberg U T. Aluminum, 1999; 75:90.8 陈康华,刘红卫,刘允中.强化固溶对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能和断裂行为的影响.金属学报，January 2001, 37(1):29-33.9 Kim K C, Nam S W. Effects of Mn-dispersoids on the fatigue mechanism in an Al-Zn-Mg alloyJ.Mater. Sci. Eng. A, 1998, 244(2):257262.
