复合添加Zr、Cr和La对铝的强化作用.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 3 1 复合添加Z r 、C r 和L a 对铝的强化作用 周年润1 ，陈康华2 ，胡振青1 ，方华婵2 ，张茁2 ，陈祥2 1 ．路达 厦门 工业有限公司，厦门3 6 1 0 2 2 ；2 ．中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙4 1 0 0 8 3 摘要研究了Z r 、C r 和L a 的复合添加对铝的强化作用。结果表明。在铝中复合添加Z r ，C r 和L a 可明显 抑制铝的再结晶，并使铝强化。与同时加入C r 和L a 相比，同时添加z r 、C r 和L a 能更有效地抑制铝的 再结晶，强化合金能力也略有提高。 关键词A 1 2 0 C r 2 L a ；再结晶；强化作用 中图分类号T G l 4 6 ．2 “文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 9 0 3 - - 0 0 3 1 0 4 T h eS t r e n g t h e n i n gE f f e c to fC o m b i n e dA d d i t i o n o fZ r ，C ra n dL ai nA l u m i n u m Z H O UN i a n - r u n l ，C H E NK a n g h u a 2 ，H UZ h e n q n 9 1 ，F A N GH u a c h a n ，Z H A N GZ h u o ，C H E NX i a n g 1 ．X i a m e n L o t aI n t e r n a t i o n a lC o ．，L t d ．，X i a m e n3 6 1 0 2 2 ，C h i n a t 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP o w d e rM e t a l l u r g y ．C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a410 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to fc o m b i n e da d d i t i o no fZ r ，C ra n dL ai na l u m i n u mh a si n v e s t i g a t e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m b i n e da d d i t i o no fZ r ，C ra n dL ac a ni n h i b i tr e c r y s t a U i z a t i o na n ds t r e n g t h e na l l o y s s i g n i f i c a n t l y ．C o m p a r i n gw i hc o m b i n e da d d i t i o no fC ra n dL a ，c o m b i n e da d d i t i o no fZ r ，C ra n dL ah a s m o r eo b v i o u sc a p a b i l i t yo fi n h i b i t i n gr e c r y s t a l l i z a t i o n ，a n di t se f f e c to fs t r e n g t h e n i n ge f f e c ta l s oi m p r o v e s l i g h t l y ． K e y w o r d s A 1 2 0C r 2L a ；R e c r y s t a l l i z a t i o n ；S t r e n g t h e n i n ge f f e c t 目前广泛应用于航空航天及地面车辆结构材料 的铝合金中，存在高温析出的弥散相和时效析出的 强化相。时效析出相起强化作用，但在高温下易租 化，强化作用下降[ 1 ] 。铝合金中的弥散相，可以钉扎 位错和晶界，阻碍位错运动和晶界迁移，主要起抑制 再结晶作用，并有一定程度的强化作用；由于其在高 温下不易转变和粗化，可提高铝合金热强性。 铝合金中弥散相可通过加入扩散系数低的过渡 族元素如C r 、M n 、Z r 等形成。早先，人们发现化合 物A l ，C r 、A l 。M n 可起弥散相作用，并以此为基础发 展了一系列变形铝合金，但A l ，C r 、A 1 。M n 弥散相与 基体不共格，对抑制铝合金的再结晶作用不够理想。 之后，发现含Z r 铝合金在均匀化过程中析出亚稳 L I 。型的A l 。Z r 弥散相，可强烈抑制再结晶，从而发 展了以弥散相A l 。Z r 为基础的高性能铝合金。但 A l 。Z r 弥散相在合金中的不均匀分布导致Z r 的偏 析[ 2 | ，合金中贫Z r 区易发生再结晶。此外亚稳的 L 1 型A l 。Z r 在高温长时退火会转变为非共格的 D o 。型化合物，抑制再结晶作用降低。从2 0 世纪 6 0 年代起，人们发现在铝中加入S c 可析出在热力 学上稳定的L I 型的A l 。S c 弥散相[ 3 ] ，并以A l 。s c 相为基础开发出许多新型含S c 铝合金。研究表明， A l 。S c 相是当前最有效的抑制再结晶的金属间化合 物，同时与基体共格的A l 。S c 相还可显著提高铝合 基金项目i 国家基础研究规划资助项目 2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 4 I 国家自然基金委创新研究群体科学基金 5 0 7 2 1 0 0 3 ；国防重点实验室基金； 国家自然科学基金资助项目 5 0 4 7 1 0 5 7 作者简介周年润 1 9 8 2 一 ，男．硕士。助理工程师． 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 金的强度。近年来含S c 铝合金的研究趋势是在铝 合金中复合加入S c ，Z r 形成多元弥散相A l 。 S c ， Z r 相。而晶格类型仍维持I ，I 。型。这种多元的弥散 相稳定性进一步提高，抑制再结晶效果得到增强。 稀土与过渡族元素在铝中可形成A l 。。C r R e 相，起弥散相作用卜6 | 。本文在铝中复合添加Z r 、 C r 和L a ，以期能形成A l 。C r 。R e 结构的多元弥散 相，并研究这种多元弥散相抑制铝再结晶及其强化 作用。 1实验过程与方法 实验采用铸锭冶金的方法制备合金，合金熔炼 时铝以9 9 ．9 9 ％纯铝，Z r 、C r 、L a 以中间合金形式加 入。其中A l 、A l 一0 ．1 C r 一0 ．2 8 I ．a 、A l 一0 ．0 9 Z r 一 0 ．1 C r 一0 ．1 4 L a 铸锭经4 7 0 ℃，1 3h 均匀化退火后 冷锻，变形奄为7 0 ％。冷锻变形后试样在1 5 0 ～ 4 5 0 ℃不同温度下退火，退火时间为1h 。 用H B R V U 一1 8 7 ．5 型布洛维光学硬度测莓硬 s t r o n 9 8 0 8 2 万能电子拉伸仪上进行拉伸实验，试样 按照G B ／T 1 6 8 6 5 1 9 9 7 加工成矩形试样，标距2 5 m m ，厚度4m m 。样品机械抛光后，经氟硼酸水溶 液电解抛光、阳极覆膜后在N E O P H O T2 1 型金相 显微镜下用偏振光下观察合金的再结晶情况。在 J S M 一6 3 6 0 L V 型扫描电镜观察第二相的分布及形 貌，并对第二相的成分进行能谱分析，采用 R I G A K U 一3 0 1 4 型X - r a y 衍射仪对铸态合金进行 物相分析。 2实验结果 2 ．1复合添加Z r 、C r 、L a 对铝力学性能的影响 合金的硬度和强度如表1 所示。从表1 可以看 出，与纯A l 相比。同时添加Z r 、C r 、L a 和同时添加 C r 、L a 均可显著提高不同处理态合金的硬度和强 度；而与同时添加C r 和L a 相比，复合加入Z r 、C r 、 L a 提高铝铸态和均匀化态硬度、变形态及其退火态 度 H B ，每个试样取3 点，测平均值；在I n 一强度的作用较大。 表1Z r ，C r 和L a 的添加对铝力学性能的影响 T a b l e1T h ee f f e c to fZ r ，C ra n dL aa d d i t i o n so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y s 2 ．2 复合加入z r 、C r 、L a 后对合金的再结晶行为 的影响 合金变形后在不同温度下退火1h ，硬度与退 火温度关系见图l 。T ，、T t 分别为合金的再结晶起 始温度和再结晶终了温度。 从图1 可见在纯铝中加入C r 、L a 和Z r 、C r 、L a 后，合金在各个退火温度下的硬度、再结晶起始温度 和再结晶终了温度均得到明显的提高，只是前者提 高的幅度小些，而后者提高幅度更明显。尤其是再 结晶终了温度提高显著，说明纯铝中加入Z r 、C r 、L a 后比只加入C r 、L a 具有更为显著的抑制再结晶效 果。 2 ．3 Z r ，C r 和L a 的添加对不同温度退火态组织的 影响 图2 为纯铝、A 1 - 0 ．1 C r - 0 ．2 8 L a 、A 卜0 ．0 9 Z r 一 0 ．1 C r - 0 ．1 4 L a 合金2 7 0 ℃和3 3 0 ℃退火1h 后的金 相显微组织。由图2 可见，经过2 7 0 ℃／1 h 退火后， 纯铝已经发生明显再结晶 图2 a ，而A l 一0 ．1 C r 一 图lZ r 。C r 和L a 的添加对变形退火铝 的硬度的影响 F i g ．1 T h ee f f e c to fZ r ．C ra n dL aa d d i t i o n so n h a r d n e s so fd e f o r m e da n da n n e a l e da l u m i n i u m 0 ．2 8 L a 、A l 一0 ．0 9 Z r 一0 ．1 C r 一0 ．1 4 L a 合金仍保持典型 的纤维状组织，并未出现明显的再结晶现象 图2 c ， e ；经过3 3 0 ℃／1 h 退火后，纯铝和A 卜0 ．1 C r 一 椰勰骗弭凇加勰龋抖控舯懈宝M坦 日山，s∞Z 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 3 3 0 ．2 8 I 。a 合金已完全再结晶，纯铝的晶粒已明显粗化 图2 b ，A I 一0 ．1 C r 一0 ．2 8 1 。a 合金仍保持细小等轴状 组织 图2 d ，而A 1 0 ．0 9 Z r 一0 ．1 C r 一0 ．1 4 L a 合金仅发 生部分冉结晶，仍保持了相当部分的纤维状组织。 由此可见。复合加入Z r 、C r 、L a 后，可以显著抑制纯 A l 的再结晶。 图2 高纯铝及合金的金相显微组织 F i g ．2O p t i c a lm i c r o g r a p h so fh i g hp u r ea l u m i n i u ma n da l l o y 2 ．4 铝中A I - Z r - C r - L a 多元弥散相的分析 图3 为均匀化态A l 一1 ．0 5 C r 一2 ．7 9 I ．a 合金与A l 一 0 ．8 3 Z r O ．9 5 C r 一1 ．2 7 L a 合金S E M 形貌。由图3 可 见，两种合金内出现了大量1 0 ～5 0 肛m 的块状相和 一些细小的球形或类球形的第二相粒子。经能谱分 析，A l 一1 ．0 5 C r 一2 ．7 9 L a 合金中块状相和微小粒子成 分对应A 1 2 。C r 2L a ，A l - 0 ．8 3 Z r - O ．9 5 C r 一1 ．2 7 L a 合金 中块状相和微小粒子对应A 1 拍C r L a Z r 。 对此两种合金进行X 射线衍射分析，发现合金 中存在大量结构与A l 。。C r L a 相同的相，可确定两 种合金的块状相及与第二相粒子均为A l 。o C r z L a 结 构。从能谱分析结果可知，在含Z r 合金中，这些块 状相与第二相粒子成分中均含Z r ，可见Z r 进入到 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年3 期 A I 。。C r 2 L a 晶格中，并保持了晶型。 3分析讨论 图3 均匀化态合金S E M 形貌 F i g ．3 S E Mm i c r o g r a p ho fa s - h o m o g e n i z e da l l o y T r a n s ．A ，1 9 9 6 ，2 7 2 7 4 9 2 4 8 3 ． 在铝中加入一些稀土与过渡族元素，可形成具 有A l 。。C r C e 晶体结构 立方结构，点阵常数a 一 1 ．2 7 0 ．0 5 n m ，空间群为F d 3 m 的化合物，从2 0 世纪6 0 年代起至今现已报道有这种结构的化合物 已增至大约5 0 种[ 7 ] ，这其中包括一系列的 A 1 2 0 C r 2R e 化合物【8 _ 9 ] 。 由上述S E M 扫描组织分析、能谱分析，并通过 X 射线衍射结构分析证实，在铝中复合加入C r 、L a ， 会形成这种A l 。C r C e 晶体结构的化合物，即形成 A l 。。C r z L a 相。当在铝中同时加入Z r 、C r 、L a 后，也 形成A l z 。C r L a 结构的相，并且Z r 进入到该相晶格 中。 A l z 。C r 。L a 弥散相在高温下很稳定[ 4 _ 6 ] ，可以抑 制合金的再结晶，提高合金的强度。在A l ⋯Z rC r L a 合金中，低扩散系数的Z r 进入到A l 。C r 2 L a 相 晶格中，提高了这种相的稳定性，因而表现出更强的 抑制再结晶效果，同时，这种稳定的多元弥散相提高 了位错运动的阻力，从而提高合金的力学性能。 4结论 在纯铝中，与同时加入C r 和L a 相比，同时添 加Z r 、C r 和L a 提高合金硬度和强度的作用较大， 能更有效地抑制铝的再结晶、保持形变强化作用。 参考文献 [ 1 ] H a n - 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T y p e S t r u c t u r e [ J ] ．J o u r n a lo fS o l i dS t a t eC h e m i s t r y 。1 9 9 5 ，11 4 2 3 3 7 3 4 1 ． [ 8 3 潘复生，周守则，丁培道，等．稀土7 0 7 5 铝合金中块状化 合物的结构和形成规律[ J ] ．中国稀土学报，1 9 9 4 ，1 2 3 2 2 5 2 2 9 ． [ 9 ] V e r e n aMT ，T h i e d e ，W o l f g a n gJ e i t s c h k o ，e ta 1 ．E u T a 2A 1 2 0 ， C a 6W 4A 1 4 3 a n do t h e rc o m p o u n d s w i t h C e C r 2A l z oa n dH 0 6M 0 4A t , 3t y p es t r u c t u r e sa n ds o m e m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h e s ec o m p o u n d s [ J ] ．J o u r n a lo f A l l o y sa n dC o m p o u n d s ，1 9 9 8 ，2 6 8 2 3 3 1 ． 万方数据