Cr含量對低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金微觀組織和力學性能的影響

1 引言

Al-Cu-Mg-Ag合金因其優良的耐熱性能和抗蠕變性能，廣泛應用于航空航天領域和石油工業，但該合金存在熱穩定性和耐腐蝕性較差的缺點。學者們利用微合金化和優化熱處理工藝等改善其性能。目前對Al-Cu-Mg-Ag合金力學性能的研究主要集中在高Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金的主要析出相θ′相和Ω相，而對低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金的主要析出相S(Al?CuMg)相的研究很少。Cr作為鋁合金常用的微合金化元素，廣泛添加在Al-Zn-Mg-Cu合金中。郭帥研究了Cr的微合金化對低Cu/Mg比合金中未發現含Cr相。本文在此基礎上，繼續增加Cr添加量，研究Cr在低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金中的存在形式，并研究增加Cr添加量對低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金微觀組織和力學性能的影響，以期促進含Cr的Al-Cu-Mg-Ag合金在石油和航天工業方面的應用。

2 實驗方法

實驗原料主要為工業高純鋁、純鎂、純銀和Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5Ti、Al-4Zr、Al-10Cr中間合金。設計了Cr添加量分別為0.17%和0.22%的2種合金，分別命名為A合金和B合金，其化學成分見表1。

對A、B合金鑄錠進行雙級均勻化處理：420 °C/24 h + 480 °C/48 h，空冷至室溫；然后在空氣爐內將鑄錠加熱至410 °C并保溫2 h，立即軋制成厚約2.5 mm的薄板；對A、B合金薄板樣品進行500 °C/1 h固溶處理和170 °C/3 h欠時效處理，所得樣品分別命名為UA、UB。

分別采用掃描電鏡、透射電鏡觀察合金的微觀組織和沉淀顆粒；在HV-10B型儀器上測試合金顯微硬度，載荷5 kg，加載時間10 s；在WOW-50E型試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率2 mm/min。

3 實驗結果與討論

3.1 合金時效硬化行為

經500 °C/1 h固溶處理后，170 °C下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金時效硬化曲線如圖1所示。隨著時效時間增加，A、B合金硬度都呈現先增加后降低的趨勢，并且各時效時間下B合金的硬度均高于A合金的硬度。固溶處理后A合金的硬度值為84.2 HV，B合金的硬度值為97 HV，B合金表現出更強的固溶強化效應。時效8 h，A、B合金的硬度均到達時效峰值硬度，分別為140 HV、150 HV。繼續延長時效時間，2種合金的硬度總體呈下降趨勢?？梢钥闯?，增加Cr添加量可以使合金時效硬度提高，這歸因于Cr的固溶強化效應。

3.2 合金拉伸性能

欠時效態下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金室溫拉伸性能如圖2所示。隨著Cr含量從0.17%增加到0.22%，合金抗拉強度從463 MPa提高到484 MPa，提高了4.5%；屈服強度從288 MPa提高到319 MPa，提高了10.8%；延伸率也有所提升。由此可見，隨著微合金化程度提高，合金拉伸性能提高。

3.3 合金物相分析

欠時效態下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金的XRD圖譜如圖3所示。從圖3可知，UA、UB樣品相組成幾乎沒有區別，都由于Cr的加入而形成了Al?.?TiCr?.?相和Al-Cr相。另外，合金中還有Al?CuMg、Al?Ti存在。

3.4 合金顯微組織分析

不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag鑄態合金的顯微組織見圖4。由圖4可見，A、B鑄態合金的晶粒尺寸并無明顯差異，SEM形貌表現為典型的枝晶偏析特征，晶粒呈現等軸狀。第二相粒子主要為Al?(Cu,Mn,Fe,Cr)和Al?CuMg相。Fe、Cr、Mn元素表現為互相聚集的狀態，即Mn含量高的第二相其中Fe和Cr含量也相對較高。由于Cr的添加，A、B鑄態合金中均形成了Al?(Cu,Mn,Fe,Cr)粒子，但晶粒大小并沒有明顯差異。

3.5 合金TEM分析

TEM圖5為UA、UB樣品沿<100>α軸的明場圖像和相應的選區電子衍射（SAED）圖。可以看出，晶粒內部存在一些粗大的棒狀T相（Al??Cu?Mn?）。在相應的SAED圖中可以看見變體的S相（Al?CuMg）衍射斑點，由于樣品為欠時效狀態，為了了解Cr的添加對低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金相關析出相的大小和分布的影響，對UA、UB試樣進行了TEM分析，結果見圖5。合金中可能有S″和S′同時存在，本文暫不做區分，統一認為是S′相。未長大的短針狀S′相大多為彌散分布，還有一些S′相在T相與Al基體的界面周圍析出。對UA、UB樣品沿<100>α軸的亮場圖像中的短針狀S′相進行了面積分數和尺寸統計，結果如表3所示。UB樣品中析出的S′相較UA樣品析出的S′相的數量更多，尺寸更大。由此可以看出，提高Cr含量，可以使合金中S′析出相數量增加，從而提高合金性能。

4 討論與分析

微合金化主要通過細化晶粒、影響強化相析出或形成相關金屬間化合物影響合金的力學性能。在微觀組織結構上，Al合金中添加Cr元素會形成Al-Cr相（如Al?Cr、Al??Cr?、Al??Cr?等）和富含Cr、Fe、Mn、Cu的粒子。文獻在Al-Mg-Si合金中添加0.07%Cr，誘導形成了Al??Cr?相，其作為α-Al的異質形核點，細化了晶粒。文獻在低Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金中進行Cr的微合金化，卻未發現明顯的晶粒細化現象。在低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg-Ag合金中，本文將Cr添加量從0.17%提高到0.22%，Cr添加量的增加并未導致明顯的晶粒細化。提高Cr含量可以使S′相含量增加、尺寸增大，這是由于Cr以彌散粒子的形式作為異質形核點，促進了S′相的形核析出，在相同時間的欠時效狀態下，UB樣品的S′相的含量更多、尺寸更大，進而使UB樣品室溫下的拉伸強度和屈服強度更優。

在力學性能上，UB樣品的硬度、拉伸強度、屈服強度均優于UA樣品。考慮Cr元素添加影響欠時效Al-Cu-Mg-Ag合金力學性能的強化機制，其理論屈服強度（σ_cal0.2）可估計為：

σ_cal0.2 = σ? + Δσ_HP + Δσ_SS + Δσ_P

式中：σ?為純鋁的晶格摩擦應力；Δσ_HP、Δσ_SS、Δσ_P分別為由晶界、固溶體原子和沉淀物引起的屈服強度增量。

5 結論

1）Cr含量由0.17%提高到0.22%，合金中形成了Al?.?TiCr?.?相和Al-Cr相，且兩者晶粒尺寸相差不大；相對于含0.17%Cr的合金，相同欠時效狀態下，含0.22%Cr的合金中析出S′相數量更多、尺寸更大。

2）Cr含量由0.17%提高到0.22%，合金抗拉強度由463 MPa提高到484 MPa，提升了4.5%；屈服強度由288 MPa提高到319 MPa，提升了10.8%。合金強化機制是Cr元素的固溶強化效應和S′(Al?CuMg)相的析出強化共同作用的結果。