鈧元素對Al-20Zn合金拉伸性能及阻尼性能的影響

陳 勇, 侯遠飛, 徐崢崢, 彭英浩,劉崇宇, 鐘 皓

(1.廣東宏錦新材料科技有限公司，東莞 523808；2.桂林理工大學材料科學與工程學院，桂林 541004)

0 引 言

鋁合金因具有低密度、高強韌性等特點而得到了廣泛的應用[1-3]，但其阻尼性能較差，難以滿足現代工業對結構材料高可靠性、高精度、長壽命等的服役要求[4]。在不影響鋁合金力學性能的前提下，大幅提高其阻尼性能，有利于擴大其在航空、航天及軌道交通等領域的應用。

Zn-Al合金是高溫阻尼性能最佳的金屬材料之一，高密度的Al/Zn界面在高溫振動過程中可以促進界面滑移，進而顯著優化合金的界面阻尼[5]。作者前期研究發現：對高鋅含量的Al-Zn二元合金進行軋制變形，使其晶粒大幅細化，同樣可獲得高密度Al/Zn界面；軋制態Al-Zn合金的高溫能量內耗值遠高于其他商用鋁合金的，接近Zn-Al合金、純鎂等傳統高阻尼金屬材料的[6]；同時，軋制態Al-Zn合金還具有高強度、高塑性等優異的力學性能[7]。較低的再結晶溫度會促使變形態Al-Zn合金在經歷高溫阻尼測試后發生再結晶，獲得細小等軸晶粒。但是在晶界表面能的驅動下，再結晶產生的細小等軸晶會相互合并、長大，這不但會弱化細晶強化效應，還會導致合金阻尼性能的惡化[8]。

向鋁合金中添加鈧(Sc)元素可以形成Al3Sc或Al3(Sc,Zr)納米析出相，該析出相在塑性變形或熱處理過程中會對鋁合金晶界產生強烈的釘扎作用，進而有效地抑制再結晶及晶粒長大[9-12]。因此，在Al-Zn合金中添加鈧，有望優化其在阻尼測試過程中的結構熱穩定性，進而提高阻尼性能穩定性。作者在Al-20Zn合金中添加鈧元素，研究了鑄態、均勻化處理態、軋制態Al-20Zn合金及Al-20Zn-0.5Sc合金的微觀結構、力學性能及阻尼性能，以期獲得力學性能優異、耗能高、穩定性較好的高阻尼新型鋁合金。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

采用井式爐熔鑄Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金。在爐內放入320 g純鋁或220 g純鋁和100 g Al-2Sc合金，在800 ℃保溫0.5 h后放入80 g鋅粒，用碳棒攪拌均勻，保溫0.5 h，注入預熱至200 ℃的石墨鑄型。在澆鑄前需去除金屬液表面的殘渣、氧化皮等雜質，鑄錠尺寸均為150 mm×35 mm×12 mm。

將鑄錠在500 ℃保溫3 h進行均勻化熱處理，水冷。對均勻化熱處理的鑄錠進行56道次熱軋，使厚度為6 mm，單道次壓下量在1.01.2 mm，道次間回爐保溫3 min。熱軋完成后，在室溫條件下進行10道次冷軋，厚度至3 mm，單道次壓下量在0.250.30 mm。

1.2 試驗方法

利用線切割在鑄錠及板材中心部位取尺寸為5 mm×10 mmX3 mm的試樣，依次使用600#3000#的砂紙研磨并拋光，用凱勒試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)進行腐蝕，采用Leica-DMi8型光學顯微鏡(OM)觀察顯微組織。用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀結構。采用Instron-8801型萬能力學試驗機進行拉伸試驗，應變速率為5×10-2s-1，測試3個平行試樣，試樣形狀及尺寸見圖1。采用Netzsch-242E型動態力學試驗機測試阻尼性能，測試振幅為10 μm(對應1×10-4的應變量)、振動頻率為1 Hz、溫度區間為20360 ℃。

圖1 拉伸試樣的形狀及尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知,鑄態Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒均為樹枝狀，后者添加了鈧元素，枝晶間距明顯細化。這是因為鈧與鋁形成的初生Al3Sc相可以有效促進合金凝固過程中的非均勻形核，進而細化鑄態組織[13]。

圖2 鑄態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖3可知，均勻化熱處理后，Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金中的枝晶消失，組織發生了不同程度的再結晶：Al-20Zn合金晶粒明顯粗化，尺寸達300 μm左右，而Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒尺寸遠低于前者的。這說明鈧能夠有效抑制均勻化處理過程中Al-20Zn合金的晶粒粗化。

圖3 均勻化處理態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖4可知：軋制變形后，Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒明顯拉長，后者的晶粒尺寸明顯低于前者的；兩合金內均存在與軋制方向呈45°角的剪切帶，這是由冷變形所致。

圖4 軋制態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的顯微組織

由圖5可知：軋制態Al-20Zn和Al-20Zn-0.5Sc合金內均出現了高密度位錯，Al-20Zn-0.5Sc合金的晶界處存在尺寸約100 nm的Al3Sc析出相。Al3Sc析出相能在合金均勻化熱處理及軋制變形過程中起到抑制晶界遷移的作用，因此均勻化熱處理態及軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒更加細小。另外，兩合金軋制變形后晶界處存在微米級鋅相，晶內存在納米級鋅相。這是因為鋁晶格中的鋅原子在變形過程中表現出較高的不穩定性[7]，隨著變形量的增加，固溶體分解增強，鋅原子不斷析出，即從鋁晶格中擠出[14-16]，并聚集長大。

圖5 軋制態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的TEM形貌

2.2 軋制態合金的拉伸性能

由圖6可知：軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均高于軋制態Al-20Zn合金的。細晶強化效應使Al-20Zn-0.5Sc合金表現出更高的強度。同時，細小晶粒有利于協調拉伸過程中的塑性變形，消除局部應力，因此，具有細晶結構的軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金還表現出優異的塑性。

圖6 軋制態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的應力-應變曲線

2.3 軋制態合金的阻尼性能

由圖7可知：第一次阻尼測試時，軋制態Al-20Zn合金在250 ℃左右出現高阻尼峰，第二次阻尼測試時，該阻尼峰高大幅降低，兩次阻尼測試的高溫(360 ℃左右)內耗幾乎相同，均為0.05；第一次阻尼測試時，軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金在240 ℃左右出現一不明顯阻尼峰，隨溫度繼續升高，其內耗幾乎保持不變，在高溫振動條件下仍保持較高水平(0.14左右)，第二次阻尼測試時，高溫內耗同樣可達到0.14?？梢?，相比于Al-20Zn合金，Al-20Zn-0.5Sc合金具有更好、更穩定的高溫阻尼性能。

圖7 軋制態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金的內耗與溫度的關系曲線

由圖8可知：第一次阻尼測試后，軋制態Al-20Zn合金發生完全再結晶，晶粒形態由纖維狀變為等軸狀，且明顯發生粗化，平均晶粒尺寸達150 μm左右；而軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金發生了不完全再結晶，組織為纖維狀晶粒與細小等軸狀晶粒的混晶結構，結合圖9可以看出，其位錯密度較阻尼測試前的明顯降低，且晶界處存在Al3Sc納米析出相和鋅相發生粗化。

圖8 軋制態Al-20Zn及Al-20Zn-0.5Sc合金第一次阻尼測試后的顯微組織

圖9 軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金第一次阻尼測試后的TEM形貌

在第一次阻尼測試過程中，當振動溫度升至250 ℃左右時，軋制態Al-20Zn合金發生再結晶，晶粒發生轉動，隨后，再結晶晶粒長大造成晶界遷移。晶粒轉動和晶界遷移使得合金內耗增加，高阻尼峰出現;而粗大的晶粒導致合金在高溫(360 ℃左右)振動過程中難以進行晶界滑移，因此高溫內耗低[6]。由于第一次阻尼測試后軋制態Al-20Zn合金的纖維態晶粒已經轉變為再結晶等軸晶，并且第二次阻尼測試時再結晶晶粒很難再次發生粗化，進而無法將能量轉化為內能而消耗，故阻尼峰高大幅降低，表現為高溫低內耗。

軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金在第一次阻尼測試過程中出現了較弱的阻尼峰，這是因為Al3Sc納米析出相的釘扎作用抑制了再結晶過程的進行，晶粒轉動與晶界遷移效應小；其經歷過一次阻尼測試后依然能夠保持較高的高溫阻尼性能，并且表現出優異的高溫阻尼穩定性。這是因為軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金組織由纖維狀和細小等軸狀晶粒組成，晶粒越細，在高溫變形過程中越容易發生晶界滑移[6-7,17]，從而在保證優異力學性能的同時維持穩定的高溫阻尼性能。

3 結 論

(1) 鑄態、均勻化處理態、軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金的晶粒尺寸均低于相同狀態下Al-20Zn合金的；與軋制態Al-20Zn合金相比，軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金具有更高的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率；軋制態Al-20Zn-0.5Sc合金兩次阻尼測試的高溫內耗(0.14)均高于軋制態Al-20Zn合金的(0.05)。

(2) 添加鈧元素后，Al-20Zn合金晶界處析出了尺寸在100 nm左右的Al3Sc相，其能夠有效地釘扎位錯，抑制晶界遷移和再結晶過程的進行，進而細化合金組織，使合金表現出較好的力學性能和高溫阻尼性能。