Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高壓扭轉變形多元合金相回溶行為分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，劉梅·合肥工業大學材料科學與工程學院

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高壓扭轉變形多元合金相回溶行為分析

文/丁永根，李萍，薛克敏，劉梅·合肥工業大學材料科學與工程學院

本文所述為在不同變形溫度（360℃、400℃）條件下對一種含Zn量達9.0%的鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金進行高壓扭轉實驗，采用SEM、EDS和XRD技術分析變形后試樣的微觀組織、第二相粒子分布和成分。研究結果表明：初始鑄態組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布；在變形溫度為360℃扭轉3/4圈條件下微觀組織主要由α(Al) +Al2Cu+MgZn2+Cu(MgZn)2組成，當扭轉圈數增加到5圈時Cu(MgZn)2相消失；高壓扭轉變形過程中，隨著變形溫度、扭轉圈數的提高，基體組織中粗大的第二相粒子數量明顯減少，分布更加均勻，第二相粒子回溶進Al基體，獲得過飽和固溶體。

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作為新一代的優質結構鋁合金材料，因具有密度小、比強度高等一系列優異性能，已被廣泛應用于武器系統、航空航天及核工業等尖端領域。研究表明，Zn含量達到7.9%、Zn/Mg比達到2.2以上的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，主要的強化相為GP區和η′相。受合金化程度、加工方式、熱處理工藝以及晶體缺陷等因素的影響，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金基體中存在大量的第二相粒子。這些第二相粒子對材料的再結晶行為、力學性能、斷裂韌性、耐腐蝕性能等均產生重要影響。一般認為粗大的第二相粒子硬度較高，塑性較差，與基體不共格的粗大第二相粒子本身就相當于裂紋源，因而降低了合金的斷裂韌性。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的強度、抗應力腐蝕等性能與基體析出相（MPT）、晶界析出相（GBP）、晶界處的溶質原子以及晶界無析出帶（PFZ）等密切相關。基體析出相的大小及彌散程度決定了合金強度，而晶界析出相的分布、尺寸、面積分數、組成成分等將影響合金的抗應力腐蝕能力。

中南大學許曉嫦等采用雙向反復壓縮變形工藝，研究了在強塑性變形條件下Al-Cu合金、6063鋁合金中不同析出相，結果表明強塑性變形引起過飽和固溶體合金脫溶，析出平衡相；對具有介穩相和平衡相的兩相合金，則引起第二相粒子變形、破碎和回溶，重新形成過飽和固溶體；國外學者Shima Sabbaghianrad等采用高壓扭轉和等徑角擠壓對7075鋁合金展開研究，結果表明大塑性變形工藝不僅可獲得超細晶組織，而且可在較低溫度條件下誘導合金多元合金相（T相Al2Mg3Zn3和η相MgZn2）回溶，形成過飽和固溶體。因此，基于以上相關學者的研究成果，我們以新型鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作為研究對象，采用SEM、EDS和X射線衍射技術，深入研究高壓扭轉變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子的種類、分布，以及熱加工工藝參數（溫度、扭轉圈數）對第二相粒子的影響，以期初步揭示Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中第二相粒子回溶變化規律。

實驗

高壓扭轉實驗材料為天津理化工程研究院提供的鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其主要合金元素（質量分數，%）為：Zn9.0，Mg3.0，Cu2.6，Zr0.2以 及少量其他雜質元素，Al為基體。采用電火花切取φ50mm×35mm的四組試樣，在KSL-1100X箱式電阻爐中對試樣進行加熱，其中兩組試樣加熱到360℃，另外兩組試樣加熱到400℃。在配備壓扭旋轉臺的YH39-1000型模鍛液壓機上進行高壓扭轉實驗，扭轉圈數分別為3/4、1和5圈。采用Keller試劑（配比為95ml H2O+2.5ml HNO3+1.5ml HCl+1ml HF）對高壓扭轉變形后的試樣進行腐蝕，試樣腐蝕時間為12s左右。腐蝕完成后在型號為JSL-6490LV的鎢燈絲掃描電子顯微鏡下進行SEM形貌觀察，同時進行EDS能譜分析。對高壓扭轉變形后的試樣在XRD-6100型衍射儀上進行X射線衍射實驗，實驗條件為CuKα、40kV、40mA，采用Jade6.0軟件對衍射實驗數據進行分析處理。

實驗結果與討論

初始鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織分析

圖1所示為初始鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌。可以發現微觀組織由粗大的等軸晶組成，晶粒大小不一，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布，其形狀主要有橢圓形、圓形和長條形（如圖1b所示）；晶粒內部彌散分布著細小的第二相粒子，其形狀主要呈針狀。研究表明，晶界析出相主導了合金的應力腐蝕開裂，而晶內彌散相則抑制基體再結晶，從而主導晶粒和晶體結構，對材料性能產生協同影響。

圖1 初始鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌

對圖1b中所示的第二相粒子進行能譜（EDS）分析，可以發現深灰色標記為A的粒子主要由Al、Cu和Zn元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，而Zn元素含量較少，推測A處粒子為AlCu合金相；對淺灰色標記為B的粒子進行能譜分析，可以發現其主要由Al、Cu和Mg元素組成，但是Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，而Mg元素含量極少，推測其為Al2Cu。為了進一步確定A、B處的第二相粒子，對初始態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金進行XRD物相分析，發現微觀組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，進而確認了A處粒子為AlCu相，B處粒子為Al2Cu相。此外，XRD物相分析顯示微觀組織中存在時效強化相MgZn2，結合EDS能譜分析確定基體中彌散分布的針狀粒子為MgZn2（如圖1b中方框所示）。

變形溫度對第二相粒子的影響

圖3a、3b所示為400℃變形溫度下高壓扭轉3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌。可以發現微觀組織中存在粗大的三角形、長條形的第二相粒子。采用能譜（EDS）分析發現圖3a中標記為A的深灰色三角形粒子主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近1:1，該相應為AlCu合金相；對標記為B處的第二相粒子進行能譜（EDS）分析，可以發現其主要由Mg、Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應為Al2Cu；對基體中彌散存在的針狀第二相粒子進行能譜（EDS）分析，可以發現其主要由Mg、Al和Zn元素組成，其中Mg和Zn元素的原子百分比接近2:1，該相應為MgZn2。XRD物相分析表明合金微觀組織主要由α(Al)+AlCu+Al2Cu+MgZn2組成，這也進一步證實了能譜分析的正確性。

圖2 初始鑄態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金EDS能譜

圖3c、3d所示為360℃變形溫度下高壓 扭 轉3/4圈 后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合 金微觀組織的SEM形貌。對標記為C處的第二相粒子進行能譜（EDS）分析，可以發現其主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應為Al2Cu；對標記為D處的第二相粒子進行能譜（EDS）分析，可以發現其主要由Al、Zn、Mg和Cu元素組成，其中Cu和（Zn、Mg）原子百分比接近1:2，推測其為Cu(MgZn)2。XRD物相分析表明360℃變形溫度下高壓扭轉3/4圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織由α(Al)+Al2Cu+MgZn2組成，通過XRD技術并未檢測到Cu(MgZn)2相的存在，但是基于相關文獻的研究結果確定基體中存在Cu(MgZn)2相，但是由于其含量較少，XRD未能檢測到它的衍射峰。

分析溫度變化對第二相粒子的影響（如圖3b、3d所示）可以發現經高壓扭轉變形后沿晶界析出的第二相粒子消失，微觀組織中難以觀察到明顯的晶界，粗大的第二相粒子隨機分布在基體組織中。與初始鑄態組織相比，基體組織中粗大的第二相粒子數量明顯減少，且變形溫度越高，粗大的第二相粒子數目越少；此外，與初始狀態Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的XRD圖譜相比，可以發現熱變形后部分Al2Cu相對應的衍射峰消失，這表明高壓扭轉過程中隨著應變量的積累，大量的第二相粒子（Al2Cu等）回溶進入Al基體，獲得了過飽和固溶體。

表1 不同分析位置處第二相粒子原子百分比（at. %）

圖3 HPT變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌及XRD衍射圖譜

扭轉圈數對第二相粒子的影響

變形溫度為360℃經高壓扭轉變形5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織的SEM形貌如圖4所示。可以發現微觀組織中粗大的第二相粒子均勻分布于Al基體中（如圖4b所示）。對圖3a中所示粗大的第二相粒子進行能譜（EDS）分析，發現其主要由Al和Cu元素組成，其中Al和Cu元素的原子百分比接近2:1，該相應為Al2Cu。XRD物相分析表明360℃變形溫度下高壓扭轉5圈后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金微觀組織由α(Al) +Al2Cu+MgZn2組成。與圖3d相比，在相同變形溫度條件下隨著扭轉圈數增加，可以發現第二相粒子數量明顯減少，分布更加均勻；同時，與初始態的物相組成相比，AlCu合金相消失了，這表明在360℃變形條件下，隨著扭轉圈數的增加，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金部分第二相粒子回溶進Al基體，導致AlCu合金相消失，第二相粒子數量明顯減少。

圖4 HPT變形后Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金

結論

⑴初始鑄態組織主要由α(Al)+AlCu +Al2Cu+MgZn2組成，粗大的第二相粒子沿晶界成鏈狀分布，針狀MgZn2彌散分布于基體組織中。

⑵高壓扭轉變形過程中，隨著變形溫度、扭轉圈數的提高，基體組織中粗大的第二相粒子數量明顯減少，分布更加均勻，第二相粒子回溶進Al基體，獲得過飽和固溶體。

⑶在變形溫度為360℃、扭轉3/4圈條件下，微觀組織主要由α(Al)+Al2Cu +MgZn2+Cu(MgZn)2組成，隨著扭轉圈數增加到5圈，微觀組織中Cu(MgZn)2相消失，第二相粒子數量明顯減少，分布更加均勻。