稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织影响的研究进展

第19卷第8期中国有色金属学报2009年8月Vol.19No.8TheChineseJournalofNonferrousMetalsAug.2009文章编号：1004-0609(2009)08-1355-11稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织影响的研究进展宋旼，肖代红，贺跃辉，张福勤(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)摘要：Al-Cu-Mg-Ag合金展示了比传统Al-Cu及Al-Cu-Mg合金更加优异的室温与高温力学性能，源于其主要强化相(Ω相)有较好的热稳定性。然而该合金的使用温度仍然低于200℃，当温度超过200℃时，Ω相的粗化速率急剧增加，容易发生共格失稳而转变为θ相，从而降低合金的高温力学性能。研究表明通过添加合适的稀土或过渡族元素可以有效地抑制Ω相的生长速率，提高Ω相的形核密度和热稳定性，从而提高合金的高温力学性能。综述了Ce、Yb及Sc元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织与力学性能的影响，并探讨了Ce、Yb及Sc元素提高Ω相热稳定性的机理。关键词：Al-Cu-Mg-Ag合金；稀土；显微组织；力学性能中图分类号：TG111.6文献标识码：AResearchprogressofeffectofrareearthelementsonmicrostructuresofAl-Cu-Mg-AgalloysSONGMin,XIAODai-hong,HEYue-hui,ZHANGFu-qin(StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Al-Cu-Mg-AgalloysexhibitmuchbettermechanicalpropertiesthantraditionalAl-CuandAl-Cu-Mgalloysatbothroom-andelevatedtemperaturesbecauseofthegoodthermalstabilityofthemainstrengtheningphase(Ωphase).However,thistypeofalloyscanonlybeusedunder200.Whenthetemperatureisabove200℃,the℃coarseningspeedofΩphaseincreasesdramatically,andΩphaseisveryeasytolosecoherentwiththematrixandchangestoθphase,whichsubstantiallydecreasesthemechanicalpropertiesofthealloysatelevatedtemperature.ItisshownthataddingproperrareearthortransientelementscansubstantiallyinhibitthegrowthspeedofΩphase,increasethenucleationdensityandthermalstabilityofΩphase,andthusimprovethemechanicalpropertiesofAl-Cu-Mg-Agalloys.TheeffectsofCe,YbandSconthemicrostructuresandmechanicalpropertiesofAl-Cu-Mg-Agalloyswerereviewed,andthemechanismsoftheeffectsofCe,YbandSconthethermalstabilityofΩphasewerediscussed.Keywords:Al-Cu-Mg-Agalloy;rareearth;microstructures;mechanicalpropertiesAl-Cu-Mg系合金由于有良好的综合性能而被广泛地用作航空航天结构材料。然而该合金主要用于室温，当温度超过100℃时，由于其强化相(θ′相，S相)发生粗化而使性能显著下降[1]。POLMEAR等[2−10]发现，在高Cu/Mg质量比例的Al-Cu-Mg合金中加入微量Ag能使合金析出一种新的时效强化相(Ω相)。相对于Al-Cu-Mg合金中的主要强化相(θ′相，S相)来说，Ω相在较高的温度下(可达200)℃有着优良的抗粗化性能，从而不仅改善了合金室温和高温力学性能，还提高了合金的高温抗蠕变性能。尽管目前关于Ω相的晶体结基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(07JJ3117)，教育部留学归国人员科研启动项目资助项目；国家高技术研究发展专项经费资助项目(2006AA03Z567)收稿日期：2008-09-26；修订日期：2008-12-18通讯作者：宋旼，副研究员，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中国有色金属学报2009年8月1356构仍然存在争议，但大量的研究均表明Ω相与Al-Cu合金中的典型平衡θ相结构类似，且成分相同[11−31]。实际上，在Ω和θ相的结构模型中其晶格常数的差别非常小，以至于在250℃以上的温度下长时间时效将最终使得Ω相被θ平衡相所取代[15]。研究表明：Mg和Ag在Ω相的形核过程中均起到重要的作用，其中Mg是诱发Ω相形核的主要元素，而Ag起到Ω相形核催化剂的作用[11,32]。当在Al-Cu合金中同时加入Mg和Ag元素时，Mg和Ag元素强烈的相互作用而形成原子簇，使得Mg原子沿基体的{111}面上偏聚(Mg原子簇)。由于Mg原子比Al原子大，Mg原子簇在Al基体中将会产生负畸变区。这种负畸变区的存在，促进了Cu原子沿基体{111}面上偏聚,以减低给基体带来的晶格畸变，从而使得Mg原子簇成为Ω相的优先形核区域,抑制了θ′相沿基体{100}面的形核。大量研究[33−36]表明，Si的存在对Ω相的析出存在不利影响。合金中Mg-Si原子间的强烈交互作用抑制了Ag-Mg原子团的形成，从而抑制了Ω相的析出。在Mg元素与Si元素相对质量比高时，Ω相形核没有被抑制，但是当Si含量过高时，合金中析出了σ相，Ω相形核被抑制。RAVIPRASAD等[34]在对添加了Ag和Si的Al-2.5Cu-1.5Mg进行研究时发现，Ag和Si原子的添加促进了多元原子团的形成；在高温时效过程中，合金沿〈100〉方向析出了针状GPB区，同时还有X′相和Ω相，但是Ω相不如X′相稳定，在长时间时效后溶解。尽管Al-Cu-Mg-Ag合金展示了优于Al-Cu及Al-Cu-Mg合金的室温与高温力学性能，但其使用温度不能超过200℃。当温度超过200℃时，Ω相的粗化速率将急剧增大，使得Ω相迅速发生共格失稳而转化成平衡θ相，从而显著地降低了合金的力学性能。HUTCHINSON等[37]指出：在Ω相应变场的周围可以存在空位或间隙原子以降低弹性应变能，而空位或间隙原子的存在取决于Ω相的厚度。由于Ω相与基体共格，存在周期性的空位错配度，在200℃以下空位在Ω相界面的聚集将显著地提高增厚台阶的形核能。当温度超过250℃时，增厚台阶的形核势垒降低，原子扩散速率加快，因此Ω相的粗化速率迅速增加。为进一步提高Al-Cu-Mg-Ag合金的高温力学性能，提高Al-Cu-Mg-Ag合金的使用温度，许多科研工作者展开了提高Ω相热稳定性的研究。大量的研究[38−44]表明：通过添加合适的稀土元素可以有效地提高Ω相的抗粗化性能和热稳定性，从而提高Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能和使用温度。本文作者就Ce、Yb及Sc等稀土元素对Ω相高温抗粗化性能及热稳定性的影响，以及对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能和显微组织的影响作一综合评述。1Ce对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织的影响在所有的稀土元素中，Ce对Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能和显微组织影响的研究最多[38−41]。XIAO和SONG等[38−41]均指出：Ce可以有效细化Al-Cu-Mg-Ag合金铸态组织的晶粒，增加Ω相的形核率，并通过阻碍Ω相的长大而提高Ω相的热稳定性，从而提高Al-Cu-Mg-Ag合金的室温与高温力学性能。图1所示为Ce对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金铸态晶粒度的影响[40]。从图1可以看出：不含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小约为100μm，而含0.2%Ce(质量分数)的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小为45μm，含0.45%Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金的平均晶粒大小为30μm左右，这表明添加微量Ce有利于细化晶粒。同时从图1可看出，含Ce的合金在晶界上有一薄层析出物，背散射电子分析表明，这些析出相是在晶界上生成的复杂稀土化合物。这些化合物中除Al外，还含有Cu、Ce、Mn和Ag等元素。Ce细化晶粒的作用除与稀土的变质作用有关外，还可作如下解释：Ce的原子半径较大(0.18nm)，而Al的原子半径小(0.143nm)，其原子半径差超过15%，使得Ce在Al中固溶度低，在共晶温度下，Ce在纯铝中的最大固溶度低于0.1%[45]。因此，Ce主要富集在晶界上，或以微小的稀土化合物存在晶内，这些化合物可作为非均匀形核的核心。因此，添加微量的Ce有助于提高结晶的形核数目，从而降低晶粒的尺寸。图2所示为Ce对Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185℃下人工时效至峰值态显微组织的影响[40]。从图2可以看出，与不含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金相比，含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的尺寸较小、密度和体积分数较大，这表明Ce可以有效地提高Ω相的形核密度并抑制Ω相的生长速率。对于高Cu/Mg质量比例的Al-Cu-Mg-Ag合金来说，在时效的早期，基体的{111}面上分布着大量的Mg/Ag/空位簇，这些原子/空位簇是Ω相非均匀形核的中心[46]。最近的第一原理计算表明：Mg-Ag原子簇必须与Cu结合才能满足在基体的{111}面上稳定存在的力学条件[47]，这种Mg-Ag-Cu原子簇即为Ω相的形核中心。当Ce元素加入到合金后，Ce原子通过置换取代基体中的Al原子。当Ce原子以置换形式第19卷第8期宋旼，等：稀土元素对Al-Cu-Mg-Ag合金显微组织影响的研究进展1357图1Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金的铸态显微组织Fig.1As-castmicrostructuresofAl-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag:(a)WithoutCe;(b)With0.2%Ce;(c)With0.45%Ce[40](withpermissionoforiginalauthor)图2Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185℃峰时效态的TEM像Fig.2TEMimagesofAl-5.3Cu-0.8Mg-0.6Agalloysafteragingtopeakagedstageat185℃:(a)WithoutCe;(b)With0.2%Ce;(c)With0.45%Ce[40](withpermissionoforiginalauthor)中国有色金属学报2009年8月1358存在于Al基体中时，Ce原子周围造成较大的晶格畸变区，固溶处理后，基体中过饱和的空位在Ce原子周围的偏聚可减小晶格畸变能和空位形成能，因此，在Ce原子周围可能会形成空位对或空位簇。一些研究工作证实，Al基体中过饱和的空位往往优先沿着{111}密排面结合成空位盘[48]，当空位盘足够大时，将塌卸成不全位错，其中包含着层错。这种不全位错在Sukuki气团的作用下，将更多地吸收周围的Mg和Ag原子，形成更多的Mg/Ag/vacancy聚合体，这些聚合体成为Ω相形核的核心，从而提高了Ω相的析出密度。早期的研究[38]还指出：Ce可以有效地降低Ω相的形核温度，抑制GP区的形核，从而加速Ω相的形核。图3所示为含与不含Ce的Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金在185℃下人工时效至峰值