不同Zr質量分數對7003鋁合金凝固過程的影響

馮艷飛，趙 鑫，楊 路，王 克，鄭 建

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著計算機技術的不斷蓬勃發展，數值模擬技術得到了快速的進步，在解決鋁合金冶金工程難題方面具有很大優勢，成為當今非常熱門的研究方向之一[1-3]。7003鋁合金屬于Al-Zn-Mg系鋁合金，具有中等強度、良好的塑性加工性能及優良的焊接性能，在軌道交通、裝備、橋梁等方面都有極廣泛的應用。近年來，人們對Zr在超高強鋁合金組織、性能中的作用及影響進行了大量研究并取得重要進展[4-6]。但Zr在中強度Al-Zn-Mg系鋁合金中的相關研究卻報道較少。為此，本文以Al-Zn-Mg系中的7003鋁合金為基體，計算分析了添加不同Zr質量分數對合金相組成、析出溫度及力學性能的影響。

1 凝固過程計算

本文通過合金成分設計，運用數值模擬的方法分別計算不同Zr質量分數（0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%）對7003鋁合金凝固過程的影響。合金化學成分如表1所示。

表1 7003合金化學成分（質量分數/%）

采用Scheil-Gulliver模型理論[7-9]可以很好地模擬眾多鋁合金的凝固過程，但它是一個近似值。為了很好地控制凝固全過程，該模型推導基于以下假設：（1）固相中無擴散，DS=0；（2）液相均勻混合，液態金屬在任何時刻都能通過擴散、對流或強烈攪拌而使其成分完全均勻，DL=∞；（3）固-液界面處于局部平衡狀態；（4）固相線和液相線為直線。

形成固相中合金成分計算公式：

形成固相所占分數計算公式：

熱動力學計算原理如下所示：

2 計算結果及分析

2.1 Zr質量分數對相組成及其析出溫度的影響

圖1為不同Zr質量分數下理想狀態的7003鋁合金鑄錠相組成及其析出溫度。從圖中可以看出，7003鋁合金鑄錠在理想狀態下的相組成如下：α-Al、 η （MgZn2）、 Mg2Si、 E （AlCrMgMn）、Al6Mn、Al7Cr、Al13Cr4Si4和Al3Zr等。其中7003合金的強化相主要為η（MgZn2）相。隨著Zr質量分數的增加，合金的析出相及析出溫度變化較為明顯，尤其是Al3Zr相（圖中Al3M-DO23）。在所添加的Zr質量分數為0.04%～0.20%時，7003合金相組成中出現了含Al3Zr相，并且隨Zr質量分數增加，其析出溫度發生了明顯的變化。

圖2為不同Zr質量分數下的Al3Zr相與析出溫度的對應關系。從圖中可以看出，在相同凝固溫度下，隨著Zr質量分數增加，Al3Zr相也不斷增多；并且在645.6℃時，Al3Zr相出現高峰值，而其低峰值在620℃時出現。且Al3Zr相析出的峰值溫度不受Zr質量分數而變化。在620℃以后，隨著凝固溫度的降低，Al3Zr相逐漸增多，最后趨于穩定平衡。當Zr的質量分數分別為0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時，Al3Zr相高峰值的質量分數分別為0.09%、0.18%、0.26%、0.34%；當Zr分別為0.16%、0.20%時，Al3Zr相低峰值的質量分數分別為0.03%、0.11%。Zr的質量分數低于0.12%時，未出現低峰值。當Zr分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時，Al3Zr相趨于平衡穩定，熔體內含Al3Zr相的質量分數分別為0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%，這主要是與Al3Zr相中合金元素Zr的變化有關。

2.2 不同Zr質量分數對凝固溫度的影響

圖3是不同Zr質量分數下的理想狀態的7003鋁合金凝固溫度變化曲線。從圖中可以看出，隨著Zr質量分數增加，凝固溫度發生了明顯變化。圖中出現兩個轉折點所對應的溫度分別為結晶開始溫度和終了溫度。在未添加Zr時，7003鋁合金的結晶開始溫度和所需時間分別為647.0℃、51.8 s，而結晶終了溫度和所需時間分別為467.9℃、475.0 s。而分別添加0.04%、0.08%、0.12%、0.16%和0.20%Zr之后，結晶開始溫度分別為647.2℃、646.9℃、646.7℃、646.5℃，開始結晶所用時間分別為51.7s、35.5 s、27.9 s、28.1 s，結晶終了溫度為468.9℃、468.2℃、467.9℃、467.9℃。結晶從開始至終了所用的時間依次為475.9s、447.7 s、437.7 s、437.6 s。與未添加Zr相比，過冷度略增大，開始和終了的時間均縮短。當Zr質量分數為0.16%時，與未添加Zr相比時，其結晶開始和終了的時間分別降低了46.1%、7.9%。添加Zr微量元素有利于加快冷卻速率，縮短結晶以及凝固過程所需的時間；同時還略降低了結晶開始溫度和終了溫度，提高了過冷度，有利于7003鋁合金晶粒細化。

2.3 不同Zr質量分數對枝晶臂間距的影響

圖4為不同Zr質量分數與相對枝晶臂間距的關系。這里所謂的相對枝晶臂間距是指添加Zr的鋁合金與不添加Zr的合金枝晶臂間距差值。從圖中可以看出，一方面，在相同Zr質量分數下，隨著冷卻速率的升高，相對枝晶臂間距逐漸縮??；另一方面，在相同冷卻速率下，隨著Zr質量分數的增加，相對枝晶臂間距呈增大趨勢。當冷卻速率為0.01℃/s、Zr質量分數分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時，相對枝晶臂間距依次為0.04 μm、0.06 μm、016 μm、0.21 μm、0.28 μm。枝晶臂間距是兩個二次枝晶之間的距離，枝晶尖端半徑越小、越尖銳，單位時間排除的溶質原子就越多，越有利于擴散，尖銳的尖梢生長越快。

2.4 不同Zr質量分數對力學性能的影響

圖5（a）、（b）是冷卻速率為1℃/s時不同Zr質量分數的7003鋁合金的屈服強度和抗拉強度。從圖中可以明顯看出，隨著Zr質量分數不斷升高，屈服強度、抗拉強度不斷增大。與未添加Zr元素相比，Zr質量分數為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時7003合金的屈服強度和抗拉強度分別提高了1.72%～14.05%和1.45%～12.57%。合金的力學性能提高顯著，這主要是因為Zr元素與Al基體共格較好，且有晶粒細化和彌散強化的作用[10]。

3 結論

（1）通過計算可知，增加Zr質量分數（0.04%～0.20%），Al3Zr相的析出溫度發生了明顯的變化。在645.6℃時，Al3Zr相出現高峰值；而在620℃時，Al3Zr相出現低峰值，且Al3Zr相的析出峰值溫度不受Zr質量分數而變化。

（2）當Zr質量分數分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%時，Al3Zr相趨于穩定平衡的質量分數分別為0.075%、0.15%、0.23%、0.30%、0.38%。

（3）添加Zr有利于加快冷卻速率，縮短結晶以及凝固過程所需的時間。

（4）添加Zr元素可以顯著提高7003鋁合金的屈服強度和抗拉強度提高。