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1、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：利用用光镜，扫扫描电镜镜和X射线线衍射的的观察以及及力学性性能检测测，研究究了在高高强铝合合金中加加入锰后后对合金金固溶组组织、拉拉伸性能能以及断断口形貌貌的影响响。结果果表明，加加入锰后后能使固固溶温度度得到提提高；通通过断口口形貌SSEM扫扫描可以以看出，含含锰铝合合金的韧韧窝比不不含锰铝铝合金要要细小，在在不出现现粗大含含锰相时时，加锰锰后断口口上沿晶晶断裂减减小；同时在高强铝合合金中添添加锰元元素能提提高材料料的屈服服强度和和极限抗抗拉强度度。关键词：喷喷射成形
2、形；超高高强铝合合金；显显微组织织；Mn；性性能分类号：Influuencce oof MMn cconttentt onn miicroostrructturee off spprayy-foormeed 77xxxx seeriees aalumminuum aallooyJI Feei, CAII Yuuan-huaa, ZZHANNG JJi-sshann, HHAO Binn (Statte KKey Labboraatorry oof AAdvaanceed MMetaal MMateeriaal 11000083)Abstrractt:Thheaffeect of Mn on s
3、ollutiion strructturee，tennsille sstreengtth aand miccroggrapphs of fraactuure of ulttra-higgh sstreengtth aalumminuum aallooys werre sstuddiedd byy usse oof OOP,SSEM andd XRRD aanallysiis. The ressultts shhow thaat MMn eelemmentt wiill inccreaase sollutiion temmperratuure; allumiinumm allloyy wiith
4、 manngannesee haas ssmalllerr siize of dimmplee annd lloweer ffracctioon oof iinteergrranuual fraactuure surrfacce tthann thhosee off allumiinumm allloyy wiithoout manngannesee whhen coaarsee prreciipittatees cconttainningg maangaanesse ddid nott apppeaar;wwithh maangaanesse aaddeed, it willl iimprr
5、ovee YSS annd UUTS of higgh sstreengtth aalumminuum aallooy.Key wwordds: sprray depposiitioon; ulttra-higgh sstreengtth aalumminuum aallooy; miccrosstruuctuure; Mnn; pproppertty前言高强铝合金金具有密密度小，强强度高，加加工性能能好等特特点，在在航空航航天和交交通运输输等领域域得到广广泛应用用。作为为主要航航空航天天结构材材料的铝铝合金正正向超高高强度、耐腐蚀蚀、低密度度、耐热方方向发展展1，22。其其中，AAl-ZZn
6、-MMg-CCu系超超高强铝铝合金具具有广阔阔应用前前景，其其发展方方向是进进一步提提高合金金的强度度和综合合性能2。在材料制备备过程中中，通过过细化晶晶粒，提提高合金金元素的的固溶度度，添加加微量元元素，减减少杂质质含量，选选择合适适的热处处理工艺艺等方法法都可以提提高铝合合金的强强度和塑塑性。随着热热处理工工艺的日日趋完善善，在铝铝合金中中添加微微量元素素从而提提高铝合合金的综综合性能能越来越越受到研研究者的的重视。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，能显著地提高铝合金强度3-5。这主要是由于在铝合金
7、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。本文分析了了用喷射射成形工工艺制备备的超高高强铝合合金中加加入锰含量为0.0%2.0%的的三种7xxxx系系超高强强铝合金金，确定定了在超高高强铝合合金中添添加锰元元素对铝铝合金固固溶处理理和拉伸伸性能的的影响，为为喷射成成形超高高强铝合合金成分分设计以以及变形形加工热热处理提提供依据据。1 实验方法实验用合金金成分如表表1。雾雾化气体体为工业业纯氮气气，雾化化压力为为0
8、.550.66MPaa；喷射射时接受受基板转转速为接接收盘旋旋转速度度30660rppm，接接受基板板下降速速度为00.5mmm/ssec， 雾化距距离38804000mm ，斜斜喷角220300，喷射射沉积雾雾化温度度为72207550。沉积坯经机机加工之之后进行行挤压。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12024h和13020h。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
9、学性能试验机上进行。表1合合金化学学成分Tablee1 ccompposiitioons of allloyss（maass fraactiion，%）ZnMgCuMnAl9.0%3.0%1.5%0.0%Bal.9.0%3.0%1.5%1.0%Bal.9.0%3.0%1.5%2.0%Bal.2 试验结果及及讨论2.1 Mn对固溶溶态组织织的影响响图1是不含含锰元素素的铝合合金和含含锰元素素的铝合合金在不不同固溶溶温度下下同一放放大倍数数的光镜镜照片对对比图。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
10、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） 00.0%Mn,4800(b) 0.0%Mn,4900(c) 22.0%Mn,4800(d) 2.0%Mn,4900图1 固溶溶态合金金金相组组织照片片Fig.11 Piictuuress off meetallloggrapphicc miicroostrructt
11、uree affterr sooluttionn trreattmennt 图2为固溶溶组织扫扫描电镜镜照片。从从左图中可可以看出出，当固固溶温度度达到4480时，不含含锰元素素的铝合合金晶内内的析出出相基本本上都已已经回溶溶，在晶晶内已经经看不到到细小的的白色点点状相，只只在晶界界上尚有有少量白白色点状状相。通通过能谱谱分析可可知，这这些晶界界上未溶溶的白色色点状相相为富铜铜相，可可知含铜铜相的溶溶解温度度较高。含锰铝铝合金的的扫描电电镜照片片如右图图所示，通过能能谱可知知，在晶晶界上存存在亮白白色的富富铜相7和和方块状状的含锰锰相两种种相。根据有有关文献献报道，如如果冷却却速度足足够大，锰
12、锰在合金金中的固固溶度能能达到99.2%6。但是是由于喷喷射成形形过程中中冷速不不够，在在冷却过过程中，在在晶界上上析出了了含锰相相，含锰锰相的尺尺寸大约约在410m之间间。在挤挤压过程程中，有有部分含含锰相被被破碎，大大部分含含锰相的的长轴沿沿挤压方方向发生生旋转，所所以从垂垂直挤压压方向看看含锰相相只有方方块状，没没有长条条形状。（a） 00.0%Mn，4800（b） 2.0%Mn,4800图2 高强强铝合金金固溶态态SEMM照片Fig.22 SEEM ppictturees oof hhighh sttrenngthh allumiinumm allloyy affterr soolut
13、tionn trreattmennt 图3为含锰锰量为11.0%的铝合合金固溶溶处理后后的X射射线衍射射图。从从图中的的XRDD分析可可以看出出，随温温度升高高，铝合合金中的的第二相相粒子逐逐渐回溶溶。当固固溶温度度达到4480时，经固溶溶处理后后，MggZn22相已经经差不多多全部溶溶解在基基体中。当固溶温度达到500时，部分Al6Mn相溶解到基体中，同时沿挤压方向的织构消除，晶粒发生完全再结晶。从X射线衍射曲线上显示为在挤压过程中消失的衍射峰在曲线上重新出现。不含锰铝合金的X射线曲线和含锰铝合金的基本相同，就是曲线中没有MnAl6相。图3 含11.0%Mn的的高强铝铝合金的的XRDD分析F
14、ig.33 XRRD aanallysiis oof hhighh sttrenngthh allumiinumm allloyy wiith 1.00% MMn2.2 合金力学学性能表1所列是是4855，900minn+1220，244h固溶溶、时效处处理后的的铝合金金拉伸性能能测试结结果。从从表中可可以看出出，在加加入锰元元素后，铝铝合金的的断裂强强度b和屈服服强度0.22都有很很大提高高，延伸伸率略有有下降。由此可见，目前所制备的锰增韧铝合金达到了较高的强度水平。通过比较可知，铝合金强度的提高主要是由于在合金内部析出了含锰相。含锰相主要有两种形态。一种为在喷射过程中析出的含锰相，这种含锰
15、相尺寸较大，一般为410m，呈长条形，沿晶界析出。一种为热处理过程中析出的含锰相，这种含锰相尺寸细小，一般不超过1m，呈现晶须状，在晶内析出。少量粗大含锰相对合金性能的影响尚不明确，但如果析出大量粗大含锰相，将会降低合金的性能。当锰含量达到2.0%时，由于喷射成形过程中冷速不够，由于在晶界上析出了大量的大尺寸含锰相，成为合金断裂的断裂源，所以铝合金的拉伸力学性能有所下降。如何在喷射成形过程中提高锰元素在沉积坯中的固溶度，使锰元素能在后续热加工过程中以晶须状析出，是当前研究的一个重点。表2 铝合合金室温温拉伸强强度Tablee2 ttenssilee sttrenngthh off allumiinumm allloyy onn noormaal ttempperaaturre 合金UTS/MMPaYS/MPPa延伸率备注AM207757503.5%48590mmin120024hhAM108037604.0%48590mmin120024hhAM006065604.5%48590mmin120024hh2.3 合金断裂行行为从图4（aa）中可可见
