锰元素对喷射成形高强铝合金固溶组织和性能的影响

锰元素对喷射成形高强铝合金固溶组织和性能的影响

季飞蔡元华张济山郝斌

（北京科技大学新金属材料国家重点实验室 100083）

摘要：利用光镜，扫描电镜和X射线衍射的观察以及力学性能检测，研究了在高强铝合金中加入锰后对合金固溶组织、拉伸性能以及断口形貌的影响。结果表明，加入锰后能使固溶温度得到提高；通过断口形貌SEM扫描可以看出，含锰铝合金的韧窝比不含锰铝合金要细小，在不出现粗大含锰相时，加锰后断口上沿晶断裂减小；同时在高强铝合金中添加锰元素能提高材料的屈服强度和极限抗拉强度。

关键词：喷射成形；超高强铝合金；显微组织；Mn；性能

分类号：

Influence of Mn content on microstructure of spray-formed 7xxx series

aluminum alloy

JI Fei, CAI Yuan-hua, ZHANG Ji-shan, HAO Bin (State Key Laboratory of Advanced Metal Material 100083) Abstract: The affect of Mn on solution structure，tensile strength and micrographs of fracture of ultra-high strength aluminum alloys were studied by use of OP,SEM and XRD analysis. The results show that Mn element will increase solution temperature; aluminum alloy with manganese has smaller size of dimple and lower fraction of intergranual fracture surface than those of aluminum alloy without manganese when coarse precipitates containing manganese did not

appear;with manganese added, it will improve YS and UTS of high strength aluminum alloy.

Key words: spray deposition; ultra-high strength aluminum alloy; microstructure; Mn; property

前言

高强铝合金具有密度小，强度高，加工性能好等特点，在航空航天和交通运输等领域得到广泛应用。作为主要航空航天结构材料的铝合金正向超高强度、耐腐蚀、低密度、耐热方向发展[1，2]。其中，Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金具有广阔应用前景，其发展方向是进一步提高合金的强度和综合性能[2]。

在材料制备过程中，通过细化晶粒，提高合金元素的固溶度，添加微量元素，减少杂质含量，选择合适的热处理工艺等方法都可以提高铝合金的强度和塑性。随着热处理工艺的日趋完善，在铝合金中添加微量元素从而提高铝合金的综合性能越来越受到研究者的重视。近年的研究发现，在7xxx系铝合金中添加锰，不仅能细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶，而且，在不降低铝合金塑性和韧性的情况下，能显着地提高铝合金强度[3-5]。这主要是由于在铝合金固溶体中形成了细小弥散的含锰相，这种在合金中均匀分布的含锰相的产生阻碍了晶粒的长大。同时由于含锰相的硬度比铝合金固溶体的硬度大许多，在合金塑性变形时，含锰相促进了晶粒的均匀变形，使滑移难以进行，从而降低了合金中的应力应变集中。

本文分析了用喷射成形工艺制备的超高强铝合金中加入锰含量为%~%的三种7xxx系超高强铝合金，确定了在超高强铝合金中添加锰元素对铝合金

固溶处理和拉伸性能的影响，为喷射成形超高强铝合金成分设计以及变形加工热处理提供依据。

1．实验方法

实验用合金成分如表1。雾化气体为工业纯氮气，雾化压力为?；喷射时接受基板转速为接收盘旋转速度30?60rpm，接受基板下降速度为0.5mm/sec，雾化距离380?400mm ，斜喷角20?30°，喷射沉积雾化温度为720?750℃。

沉积坯经机加工之后进行挤压。挤压温度为420℃，挤压比为20：1。固溶处理时间定为90min，固溶温度分别为470℃、480℃、490℃、500℃。设置了两种时效制度，分别为120℃×24h和130℃×20h。组织分析和能谱分析在Cambridge-S250 型扫描电镜（SEM）上进行，X射线衍射在Philips APD-10型射线衍射仪上完成，强度测试在MTS810力学性能试验机上进行。

表1 合金化学成分

Table1 compositions of alloys（mass fraction，%）

2．试验结果及讨论

2.1 Mn对固溶态组织的影响

图1是不含锰元素的铝合金和含锰元素的铝合金在不同固溶温度下同一放大倍数的光镜照片对比图。从图中可以看出，当温度达到480℃时，不含锰元素的铝合金已经开始出现部分再晶粒现象，而含锰元素的铝合金在

480℃时晶粒还十分细小，没有发生再结晶。温度达到490℃时，不含锰元素的铝合金出现完全再结晶，含锰元素的铝合金出现部分再结晶。从光镜照片对比中可以看出，含锰元素的铝合金晶粒长大速度明显比不含锰元素铝合金的晶粒长大速度要慢。从图中可以得出，锰元素的加入能有效的阻止晶粒长大，从而能够提高合金的固溶温度，进而达到在固溶处理过程中使铝合金中的第二相粒子充分回溶的目的。

（a） %Mn,480℃ (b) %Mn,490℃

(c) %Mn,480℃ (d) %Mn,490℃

图1 固溶态合金金相组织照片

Pictures of metallographic microstructure after solution treatment

图2为固溶组织扫描电镜照片。从左图中可以看出，当固溶温度达到480℃时，不含锰元素的铝合金晶内的析出相基本上都已经回溶，在晶内已经看不到细小的白色点状相，只在晶界上尚有少量白色点状相。通过能谱分析可知，这些晶界上未溶的白色点状相为富铜相，可知含铜相的溶解温度较高。含锰铝合金的扫描电镜照片如右图所示，通过能谱可知，在晶界上存在亮白色的富铜相[7]和方块状的含锰相两种相。根据有关文献报道，如果冷却速度足够大，锰在合金中的固溶度能达到%[6]。但是由于喷射成形过程中冷速不够，在冷却过程中，在晶界上析出了含锰相，含锰相的尺寸大约在4～10μm之间。在挤压过程中，有部分含锰相被破碎，大部分含锰相的长轴沿挤压方向发生旋转，所以从垂直挤压方向看含锰相只有方块状，没有长条形状。