Cr含量对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和力学性能的影响

Cr含量对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和力学性能的影响

1 引言

Al-Cu-Mg-Ag合金因其优良的耐热性能和抗蠕变性能，广泛应用于航空航天领域和石油工业，但该合金存在热稳定性和耐腐蚀性较差的缺点。学者们利用微合金化和优化热处理工艺等改善其性能。目前对Al-Cu-Mg-Ag合金力学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，而对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金的主要析出相S(Al₂CuMg)相的研究很少。Cr作为铝合金常用的微合金化元素，广泛添加在Al-Zn-Mg-Cu合金中。郭帅研究了Cr的微合金化对低Cu/Mg比合金中未发现含Cr相。本文在此基础上，继续增加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添加量对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和力学性能的影响，以期促进含Cr的Al-Cu-Mg-Ag合金在石油和航天工业方面的应用。

2 实验方法

实验原料主要为工业高纯铝、纯镁、纯银和Al-50Cu、Al-10Mn、Al-5Ti、Al-4Zr、Al-10Cr中间合金。设计了Cr添加量分别为0.17%和0.22%的2种合金，分别命名为A合金和B合金，其化学成分见表1。

对A、B合金铸锭进行双级均匀化处理：420 °C/24 h + 480 °C/48 h，空冷至室温；然后在空气炉内将铸锭加热至410 °C并保温2 h，立即轧制成厚约2.5 mm的薄板；对A、B合金薄板样品进行500 °C/1 h固溶处理和170 °C/3 h欠时效处理，所得样品分别命名为UA、UB。

分别采用扫描电镜、透射电镜观察合金的微观组织和沉淀颗粒；在HV-10B型仪器上测试合金显微硬度，载荷5 kg，加载时间10 s；在WOW-50E型试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率2 mm/min。

3 实验结果与讨论

3.1 合金时效硬化行为

经500 °C/1 h固溶处理后，170 °C下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金时效硬化曲线如图1所示。随着时效时间增加，A、B合金硬度都呈现先增加后降低的趋势，并且各时效时间下B合金的硬度均高于A合金的硬度。固溶处理后A合金的硬度值为84.2 HV，B合金的硬度值为97 HV，B合金表现出更强的固溶强化效应。时效8 h，A、B合金的硬度均到达时效峰值硬度，分别为140 HV、150 HV。继续延长时效时间，2种合金的硬度总体呈下降趋势。可以看出，增加Cr添加量可以使合金时效硬度提高，这归因于Cr的固溶强化效应。

3.2 合金拉伸性能

欠时效态下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金室温拉伸性能如图2所示。随着Cr含量从0.17%增加到0.22%，合金抗拉强度从463 MPa提高到484 MPa，提高了4.5%；屈服强度从288 MPa提高到319 MPa，提高了10.8%；延伸率也有所提升。由此可见，随着微合金化程度提高，合金拉伸性能提高。

3.3 合金物相分析

欠时效态下不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag合金的XRD图谱如图3所示。从图3可知，UA、UB样品相组成几乎没有区别，都由于Cr的加入而形成了Al₁.₆TiCr₀.₄相和Al-Cr相。另外，合金中还有Al₂CuMg、Al₃Ti存在。

3.4 合金显微组织分析

不同Cr含量Al-Cu-Mg-Ag铸态合金的显微组织见图4。由图4可见，A、B铸态合金的晶粒尺寸并无明显差异，SEM形貌表现为典型的枝晶偏析特征，晶粒呈现等轴状。第二相粒子主要为Alₓ(Cu,Mn,Fe,Cr)和Al₂CuMg相。Fe、Cr、Mn元素表现为互相聚集的状态，即Mn含量高的第二相其中Fe和Cr含量也相对较高。由于Cr的添加，A、B铸态合金中均形成了Alₓ(Cu,Mn,Fe,Cr)粒子，但晶粒大小并没有明显差异。

3.5 合金TEM分析

TEM图5为UA、UB样品沿<100>α轴的明场图像和相应的选区电子衍射（SAED）图。可以看出，晶粒内部存在一些粗大的棒状T相（Al₂₀Cu₂Mn₃）。在相应的SAED图中可以看见变体的S相（Al₂CuMg）衍射斑点，由于样品为欠时效状态，为了了解Cr的添加对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag合金相关析出相的大小和分布的影响，对UA、UB试样进行了TEM分析，结果见图5。合金中可能有S″和S′同时存在，本文暂不做区分，统一认为是S′相。未长大的短针状S′相大多为弥散分布，还有一些S′相在T相与Al基体的界面周围析出。对UA、UB样品沿<100>α轴的亮场图像中的短针状S′相进行了面积分数和尺寸统计，结果如表3所示。UB样品中析出的S′相较UA样品析出的S′相的数量更多，尺寸更大。由此可以看出，提高Cr含量，可以使合金中S′析出相数量增加，从而提高合金性能。

4 讨论与分析

微合金化主要通过细化晶粒、影响强化相析出或形成相关金属间化合物影响合金的力学性能。在微观组织结构上，Al合金中添加Cr元素会形成Al-Cr相（如Al₇Cr、Al₁₁Cr₂、Al₄₅Cr₇等）和富含Cr、Fe、Mn、Cu的粒子。文献在Al-Mg-Si合金中添加0.07%Cr，诱导形成了Al₄₅Cr₇相，其作为α-Al的异质形核点，细化了晶粒。文献在低Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金中进行Cr的微合金化，却未发现明显的晶粒细化现象。在低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg-Ag合金中，本文将Cr添加量从0.17%提高到0.22%，Cr添加量的增加并未导致明显的晶粒细化。提高Cr含量可以使S′相含量增加、尺寸增大，这是由于Cr以弥散粒子的形式作为异质形核点，促进了S′相的形核析出，在相同时间的欠时效状态下，UB样品的S′相的含量更多、尺寸更大，进而使UB样品室温下的拉伸强度和屈服强度更优。

在力学性能上，UB样品的硬度、拉伸强度、屈服强度均优于UA样品。考虑Cr元素添加影响欠时效Al-Cu-Mg-Ag合金力学性能的强化机制，其理论屈服强度（σ_cal0.2）可估计为：

σ_cal0.2 = σ₀ + Δσ_HP + Δσ_SS + Δσ_P

式中：σ₀为纯铝的晶格摩擦应力；Δσ_HP、Δσ_SS、Δσ_P分别为由晶界、固溶体原子和沉淀物引起的屈服强度增量。

5 结论

1）Cr含量由0.17%提高到0.22%，合金中形成了Al₁.₆TiCr₀.₄相和Al-Cr相，且两者晶粒尺寸相差不大；相对于含0.17%Cr的合金，相同欠时效状态下，含0.22%Cr的合金中析出S′相数量更多、尺寸更大。

2）Cr含量由0.17%提高到0.22%，合金抗拉强度由463 MPa提高到484 MPa，提升了4.5%；屈服强度由288 MPa提高到319 MPa，提升了10.8%。合金强化机制是Cr元素的固溶强化效应和S′(Al₂CuMg)相的析出强化共同作用的结果。