Si含量對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金微觀組織與力學(xué)性能的影響①

劉銅銅，劉志義，柏 松，趙娟剛，曹 靖

（中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

Al-Cu-Mg-Ag合金具有優(yōu)異的耐高溫性能，在航空航天工業(yè)廣泛應(yīng)用［1－3］。在Al-Cu-Mg-Ag合金的加工生產(chǎn)過程中，為了優(yōu)化合金的綜合性能，通常會(huì)在熔煉時(shí)加入Ti、Zr、Mn等元素，因此不可避免地引入了Fe、Si等雜質(zhì)元素。早期研究發(fā)現(xiàn)，Si的加入會(huì)導(dǎo)致Al-Cu-Mg-（Ag）合金中AlCuMgSi、AlCuSiMnFe等粗大不溶相增多，同時(shí)基體中θ′析出相的密度明顯增加［4－7］。Abis等人［8］發(fā)現(xiàn)在Al-Cu-Mg-Ag合金中加入0．15%～0．5%Si，會(huì)導(dǎo)致Ω相的形核析出受到抑制。Gable等人［9］的工作也證明了這一點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)Si含量是限制Ω相析出的關(guān)鍵，Mg／Si比大于2是Ω相成核的必要條件。本文研究了Si含量對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金力學(xué)性能以及微觀組織的影響，以期為調(diào)控Al-Cu-Mg-Ag合金成分、提高合金的綜合力學(xué)性能提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)合金以高純鋁、純鎂、純銀以及中間合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr、Al-Si為原材料配制，在高強(qiáng)石墨坩堝中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750℃左右，澆注成尺寸約為190 mm×150 mm×24 mm的鑄錠。實(shí)驗(yàn)中所用合金的實(shí)際成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

合金鑄錠在電阻空氣爐中進(jìn)行雙級(jí)均勻化處理（480℃×24 h＋515℃×48 h）。熱軋成厚度為3 mm的合金板材，將所得合金板材在鹽浴爐中進(jìn)行515℃×3 h固溶處理，水淬后進(jìn)行190℃×1 h＋155℃×12 h雙級(jí)峰時(shí)效。

利用Instron-MTS 810試驗(yàn)機(jī)對(duì)固溶雙級(jí)峰時(shí)效后合金板材進(jìn)行室溫、高溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm／min。所有試樣的力學(xué)性能均取3個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。分別采用FEI Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡、TECNAI G20 ST型透射電鏡和TECNAI F20高分辨透射電子顯微鏡觀察合金微觀組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為不同Si含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）試樣在室溫和300℃下的力學(xué)性能。

圖1 不同Si含量Al-Cu-Mg-Ag合金力學(xué)性能

從圖1（a）可以看出，當(dāng)Si含量0．03%時(shí)，合金具有最好的拉伸性能，抗拉強(qiáng)度531 MPa、屈服強(qiáng)度470 MPa，延伸率達(dá)到6．8%。隨著Si含量增多，合金室溫拉伸強(qiáng)度下降，延伸率明顯下降。當(dāng)Si含量增加到0．20%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度493 MPa、屈服強(qiáng)度452 MPa，延伸率只有3．6%。從室溫拉伸數(shù)據(jù)可以看出，Al-Cu-Mg-Ag合金中Si含量增多，會(huì)導(dǎo)致合金室溫力學(xué)性能明顯下降。

由圖1（b）可知，添加了Si元素后，300℃下合金的高溫力學(xué)性能呈現(xiàn)出更為明顯的下降趨勢(shì)。隨著Si含量從0．03%增加到0．20%，合金高溫拉伸抗拉強(qiáng)度從236 MPa減少到191 MPa，屈服強(qiáng)度從227 MPa下降到180 MPa，延伸率從11．9%降低到了7．9%。結(jié)果表明，合金高溫力學(xué)性能隨著Si含量增多而下降。

2．2 掃描電鏡組織觀察與分析

不同Si含量Al-Cu-Mg-Ag合金固溶時(shí)效處理后的SEM圖如圖2所示。從圖2可以看到，0．03Si合金基體中的殘余第二相數(shù)量較少，在晶界處呈現(xiàn)出半連續(xù)分布；當(dāng)Si元素添加量達(dá)到0．15%時(shí)，基體中可以觀察到許多大尺寸的第二相，集中分布在晶界附近。對(duì)比可知，Si的增加會(huì)導(dǎo)致合金基體中大尺寸第二相數(shù)量的增多，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度的下降。

圖2 不同Si含量Al-Cu-Mg-Ag合金固溶時(shí)效處理后的SEM圖

圖3為圖2（c）中矩形框處的元素面掃描圖。可以看到，基體中主要有A、B兩種襯度的第二相。根據(jù)EDS分析結(jié)果，A粒子處出現(xiàn)Al、Cu元素的偏聚，可以判斷A粒子為Al2Cu相；同時(shí)，Al、Mn、Fe、Si元素在B粒子附近出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚，說明B粒子屬于AlMnFeSi型化合物粒子，這種高熔點(diǎn)的化合物屬于硬脆相，一般很難通過熱處理消除［10－11］。結(jié)果表明，Si含量達(dá)到0．15%，合金基體中出現(xiàn)大尺寸AlMnFeSi型化合物粒子，在合金的拉伸變形過程中，這種硬脆相容易產(chǎn)生開裂，從而導(dǎo)致合金延伸率整體下降。這與圖1結(jié)果一致。

圖3 圖2（c）中矩形框處的元素面掃描結(jié)果

2．3 透射電鏡組織觀察與分析

圖4為不同Si含量固溶時(shí)效態(tài)Al-Cu-Mg-Ag合金＜110＞α晶帶軸下的TEM圖像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖。由圖4可知，0．03Si合金中有大量的盤狀Ω相析出，同時(shí)也可以觀察到少量的針狀θ′析出；選區(qū)電子衍射圖可以看到明顯的Ω相和θ′相斑點(diǎn)。0．10Si合金中仍然有Ω相和θ′相析出，但是Ω相析出密度明顯降低，選區(qū)電子衍射圖中Ω相斑點(diǎn)強(qiáng)度變得微弱。隨著Si含量增多，0．15Si、0．20Si合金基體中Ω相析出受到抑制，密度不斷降低；相反，基體中θ′相密度有所增加。

圖4 不同Si含量固溶時(shí)效態(tài)Al-Cu-Mg-Ag合金＜110＞α晶帶軸下TEM圖片及對(duì)應(yīng)的衍射花樣圖

圖5為不同Si含量固溶時(shí)效態(tài)Al-Cu-Mg-Ag合金＜100＞α晶帶軸下的TEM圖像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖。從圖5可以看出，0．03Si合金基體中的析出相主要是Ω相和θ′相；0．10Si基體中θ′相析出密度增大；而0．15Si、0．20Si合金基體中θ′相析出越來越密集。當(dāng)合金中Si含量超過0．10%時(shí)，基體中可以觀察到黑色顆粒狀析出相出現(xiàn)（如圖中黑色箭頭所示）；隨著Si含量進(jìn)一步增多，黑色顆粒狀析出相密度明顯增多。正是這些黑色顆粒狀析出相的出現(xiàn)，導(dǎo)致合金基體中Ω相密度產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致合金力學(xué)性能特別是高溫力學(xué)性能變化。

圖5 不同Si含量固溶時(shí)效態(tài)Al-Cu-Mg-Ag合金＜100＞α晶帶軸下TEM圖片及對(duì)應(yīng)的衍射花樣圖

為了明確Al-Cu-Mg-Ag合金中Si原子的作用機(jī)制，利用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)圖5中觀察到的黑色顆粒狀析出相進(jìn)行觀察，HRTEM圖片和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖如圖6所示。由圖6可知，這種黑色顆粒狀析出相是典型的單斜結(jié)構(gòu)的β″相（MgSi相）［12］。β″相是Al-Mg-Si合金中的強(qiáng)化相之一，在125℃到220℃之間時(shí)效時(shí)都會(huì)產(chǎn)生β″相［13－14］。對(duì)比圖4可以看出，隨著Si添加量增加，合金基體中β″相密度也隨之增加。時(shí)效初期，Mg原子參與到β″相的析出過程中，導(dǎo)致基體中Mg溶質(zhì)原子減少，Mg-Ag團(tuán)簇形成被抑制。Al-Cu-Mg-Ag合金的時(shí)效沉淀序列可以表示為過飽和固溶體→Mg-Ag團(tuán)簇→Ω相＋θ′相→θ相＋Ag，Mg，Cu富集相［15］。在早期的時(shí)效沉淀過程中，Mg-Ag團(tuán)簇通常作為Ω相的形核位置［16］。由于Mg-Ag團(tuán)簇形成受到阻礙，從而抑制了合金基體中Ω相析出，導(dǎo)致Ω相密度明顯下降；θ′相在與Ω相的競(jìng)爭(zhēng)沉淀中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了θ′相析出。相比于θ′相，Ω相具有更高的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性［17］，因而工業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)通過控制Al-Cu-Mg-Ag合金中的Si含量，避免合金基體中β″相析出，得到更優(yōu)的合金析出相組成。

圖6 Al-Cu-Mg-Ag合金中β″相的HRTEM圖片

3 結(jié) 論

1）4種不同Si含量Al-Cu-Mg-Ag中，Si含量0．03%的合金具有最優(yōu)的力學(xué)性能，其室溫抗拉強(qiáng)度531 MPa、屈服強(qiáng)度470 MPa、延伸率6．8%；300℃高溫拉伸抗拉強(qiáng)度236 MPa、屈服強(qiáng)度191 MPa、延伸率11．9%。

2）Al-Cu-Mg-Ag合金中Si含量增加，合金力學(xué)性能特別是延伸率明顯下降。Si含量達(dá)到0．15%時(shí)，基體中有許多大尺寸AlFeMnSi型化合物粒子出現(xiàn)，這種硬脆相是導(dǎo)致合金塑性大幅下降的主要原因。

3）當(dāng)Al-Cu-Mg-Ag合金中Si含量大于0．10%時(shí)，基體中析出的黑色顆粒狀β″相（MgSi相）會(huì)導(dǎo)致基體中Mg溶質(zhì)原子的消耗，抑制了Al-Cu-Mg-Ag合金時(shí)效初期Mg-Ag團(tuán)簇的形成，阻礙Ω相析出；θ′相在與Ω相的競(jìng)爭(zhēng)析出中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了θ′相析出，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度明顯下降。