微量Si和Fe對(duì)Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti合金組織與性能的影響

周澤宇，陳康華，許杰，董朋軒

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微量Si和Fe對(duì)Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti合金組織與性能的影響

周澤宇，陳康華，許杰，董朋軒

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

為了提高Al-Zn-Mg-Cu合金的力學(xué)性能及抗腐蝕性能，通過拉伸試驗(yàn)、晶間腐蝕、剝落腐蝕、應(yīng)力腐蝕及電化學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合金相分析及高分辨電鏡分析，研究微量Si和Fe的添加對(duì)Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti合金組織與性能的影響。研究結(jié)果表明：微量元素的添加明顯抑制合金的再結(jié)晶，使合金晶粒細(xì)小，亞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)化合金，從而提高其力學(xué)性能及抗腐蝕性能，電化學(xué)循環(huán)極化曲線試驗(yàn)中自腐蝕電流密度的降低也與抗晶間腐蝕能力增強(qiáng)的結(jié)果較吻合；復(fù)合添加微量Si和Fe元素使合金基體中形成大量粗大黑色的Al7Cu2Fe相，與基體不共格，導(dǎo)致合金時(shí)效后再結(jié)晶嚴(yán)重，力學(xué)性能變差，電化學(xué)極化曲線中自腐蝕電流密度增高，抗腐蝕性能明顯降低。

微量Si元素；微量Fe元素；Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti合金；力學(xué)性能；電化學(xué)

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金因其具有比強(qiáng)度高、韌性高和耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建立和國(guó)防建設(shè)的諸多方面，如：航空航天、交通運(yùn)輸、建筑材料、電子通訊、機(jī)械電氣等軍事及民用領(lǐng)域中發(fā)揮極其重要作用。由于目前我國(guó)航天航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金在極端條件下的應(yīng)用性能也提出了更高的強(qiáng)度、更好的韌性和耐腐蝕性等要求[1]。在保持Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金高強(qiáng)、高韌的力學(xué)性能同時(shí)，進(jìn)一步提高其耐腐蝕性能是目前鋁合金科學(xué)技術(shù)研究的關(guān)鍵問題。1935年，日本專家五十嵐在Al-Zn-Mg-Cu合金中添加Cr元素，提高其抑制再結(jié)晶能力和抗應(yīng)力腐蝕能力；1956年前蘇聯(lián)在對(duì)鋁合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)可以使用Zr元素取代Mn和Cr等元素添加在A1-Zn-Mg-Cu合金中，從而研制出B96μ合 金[2]。Zr在鋁合金中存在的形式主要有以下幾種： 1) 過量Zr元素的添加形成粗大Al3Zr相，對(duì)合金性能不利；2) 溶入鋁中形成過飽和或高過飽和固溶體；3) 形成平衡的四方結(jié)構(gòu)的Al3Zr(DO23)相，細(xì)化晶粒。4) 析出共格L12型Al3Zr彌散相，細(xì)小彌散，對(duì)合金性能有利[3]。Ti元素常作為A1-Zn-Mg-Cu合金的變質(zhì)劑而添加在其中。添加Ti元素后，合金會(huì)形成大量細(xì)小的形核質(zhì)點(diǎn)，從而細(xì)化晶粒[4?5]。但過量添加會(huì)使合金中Al3Ti質(zhì)點(diǎn)析出，對(duì)細(xì)化晶粒作用產(chǎn)生不利影響。肖政兵等[6]研究發(fā)現(xiàn)，由于Zr和Ti元素在鋁合金中形成的Al3Zr和Al3Ti彌散相易結(jié)合并長(zhǎng)大析出，而非均勻分布在基體中，阻礙晶粒細(xì)化，這種現(xiàn)象稱為Zr中毒現(xiàn)象。HE等[7?8]研究發(fā)現(xiàn)，Cr和Mn元素在7A55合金中的添加可以改善Zr中毒現(xiàn)象，從而細(xì)化晶粒。Fe和Si元素是鋁合金中普遍存在的雜質(zhì)元素[9]，由于其可以導(dǎo)致某些難熔脆性化合物的形成，因此Fe和Si元素在鋁合金的含量被嚴(yán)格控制。但SATO等[10]發(fā)現(xiàn)，添加Si元素可以促進(jìn)L12型的Al3Zr相析出，而L12型的Al3Zr相在鋁合金中對(duì)位錯(cuò)和亞晶界的遷移有顯著地釘扎作用，可以強(qiáng)化合金。本文作者在合金元素Al-8.54Zn-2.41Mg-2.2Cu-0.16Zr-0.04Ti- 0.04Cr鋁合金中添加微量Si和Fe元素研究其對(duì)合金彌散相、微觀組織及力學(xué)性能和電化學(xué)腐蝕性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)采用熔煉鑄造法制備樣品，合金名義成分如表1所示。其中，Cu，Zr，Ti，Cr，Si，F(xiàn)e元素采用中間合金加入，其他元素采用高純金屬加入。合金熔煉溫度為780 ℃，除氣除渣采用C2Cl6，澆筑得到直徑45 mm的圓柱形鑄錠。

1.2 變形及熱處理

合金均勻化處理制度為465 ℃/24 h，擠壓溫度為430 ℃，擠壓比為9，得到擠壓棒材。固溶制度為475 ℃/3 h，水淬。時(shí)效制度為T6(120 ℃/24 h)。

1.3 性能測(cè)試

樣品經(jīng)水磨砂紙磨好后使用鉻酸(成分為3 g CrO3+0.5 mL HF+84 mL H2O+15.5 mL HNO3)腐蝕表面后清洗吹干，采用德國(guó)PME3光學(xué)金相顯微鏡，觀察其第二相分布情況。硬度測(cè)量采用HBRVU?187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)(上海材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn))，測(cè)量硬度每個(gè)試樣取3個(gè)點(diǎn)硬度的平均值。

采用JSM?6360LV型掃描電鏡并配合能譜儀對(duì)第二相進(jìn)行元素組成分析。采用JEOL?2100F型透射電鏡觀察合金的微觀組織。通過Titan G2 60?300型物鏡球差矯正場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電鏡，結(jié)合Super?X能譜儀，分析納米級(jí)彌散相的組成元素及其原子分布。采用電解雙噴方法在Struers-TenuPol-2減薄儀上制備透射電鏡實(shí)驗(yàn)試樣，電解溶液使用硝酸與甲醇體積比為3:7 的混合溶液，電壓為20 V左右，電流為100 mA，電解溶液溫度為?30 ℃。

晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)即IGC按照GB 7998—87“鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)即EXCO按照HB 5455—90“鋁合金剝層腐蝕試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)采用U型金屬試樣，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照《輕金屬材料加工手冊(cè)》。電化學(xué)腐蝕測(cè)試使用的儀器為上海辰華CHI660E型電化學(xué)工作站，測(cè)量?jī)?nèi)容有開路電位?時(shí)間曲線、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和Tafel循環(huán)極化曲線。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織

圖1所示為3種成分合金經(jīng)鉻酸腐蝕后的固溶時(shí)效態(tài)金相組織。其中，由圖1可以發(fā)現(xiàn)：Al-Zn-Mg-Cu- 0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe合金部分區(qū)域出現(xiàn)再結(jié)晶區(qū)，晶粒較粗大；而添加0.013%Si元素后，細(xì)小的亞晶粒保持的較完好，明顯抑制了合金再結(jié)晶；但復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe后，合金再結(jié)晶較嚴(yán)重，晶粒明顯粗大，并夾雜有大量粗大的黑色相，對(duì)合金性能有不利的影響。

(a) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe；(b) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe；(c) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.08Fe

2.2 微觀組織

2.2.1 合金微觀組織

圖2所示為Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金亞晶粒及晶界析出相的TEM圖。由圖2可知：合金中亞晶粒尺寸較細(xì)小，且亞晶界析出相離散、不連續(xù)，未形成晶界無沉淀區(qū)(PFZ)。

(a) 晶粒；(b) 晶界

2.2.2 合金第二相分析

圖3所示為Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金彌散相TEM像及選區(qū)電子衍射。由圖3(a)與(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti- 0.04Cr-0.05Fe合金中添加0.013%Si元素后析出相粒子增多且更加細(xì)小。由圖3(c)所示的[112]Al晶帶軸電子選區(qū)衍射可見：合金中存在有′相暗條紋及L12型結(jié)構(gòu)的粒子衍射斑。因此可以得出，0.013%Si元素的加入使合金彌散相數(shù)量增多，尺寸減小且分布均勻彌散。

圖4所示為采用物鏡球差矯正場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電鏡(HADDF-STEM)結(jié)合Super-X能譜儀對(duì)Al-Zn- Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe合金Al3Zr彌散相粒子的形貌及元素組成進(jìn)行分析。圖4(a)所示為合金中含Si元素彌散相粒子的形貌，圖4(b)~(f)所示分別為彌散相粒子中Al，Zr，Ti，Cr，Si元素分布，圖4(g)所示為粒子所含有的Zr，Ti，Cr，Si元素在粒子中心線(圖4(a)中矩形框)的分布情況。由圖4可知：該粒子呈圓球狀，主要成分為Al3Zr，位于中線位置還含有少量的Ti，Cr，Si元素。

(a) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe；(b) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe；(c) 電子選區(qū)衍射

(a) HAADF彌散相粒子形貌；(b) Al元素分布；(c) Zr元素分布；(d) Ti元素分布；(e) Cr元素分布；(f) Si元素分布；(g) Zr，Ti，Cr，Si元素在粒子中心線的分布

圖5所示為Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金彌散相粒子在[100]Al(圖5(a)~(c))和[112]Al晶帶軸(圖5(d)~(f))高分辨圖像及其傅里葉變換。由粒子高分辨圖可見其與基體呈現(xiàn)較好的共格性，并由傅里葉變換可以看出粒子在2個(gè)晶帶軸呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)L12型衍射斑。

圖6所示為Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金添加0.03%Fe元素后，第二相的SEM及EDS分析。由圖6可見：合金中形成的黑色粗大相粒徑約5 μm，由EDS分析可知其成分主要含有Al，Cu，F(xiàn)e元素并伴有少量Zn，Mg元素，此含F(xiàn)e元素的粗大相為Al7Cu2Fe相[11?12]。

2.3 力學(xué)性能

表2所示為3種實(shí)驗(yàn)合金分別經(jīng)T6時(shí)效后的力學(xué)性能。由表2可知：在Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti- 0.04Cr-0.05Fe合金中添加微量Si元素后，合金硬度有所提升，并且抗拉強(qiáng)度b、屈服強(qiáng)度0.2和伸長(zhǎng)率都有較大幅度提升；但復(fù)合添加微量Si和Fe元素后合金綜合力學(xué)性能降低。

表2 3種合金時(shí)效態(tài)的力學(xué)性能

(a) SEM；(b) EDS

2.4 抗晶間腐蝕性能

圖7所示為3種實(shí)驗(yàn)合金在晶間腐蝕溶液經(jīng)6h浸泡后的腐蝕截面圖。由圖7可以看出：Al-Zn-Mg-Cu- 0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe合金的腐蝕深度為216 μm；添加0.013%Si元素后腐蝕深度降低至182 μm，證明添加0.013%Si元素后對(duì)合金抗晶間腐蝕能力有所提升；而復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素后腐蝕深度加深至334 μm，說明0.03%Fe元素的添加使合金抗腐蝕性能有所降低。

2.5 抗剝落腐蝕性能

圖8所示為3種實(shí)驗(yàn)合金經(jīng)剝落腐蝕液浸泡48h后腐蝕形貌圖。由圖8可見：Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr- 0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe添加0.013Si元素后剝落腐蝕程度明顯減弱，未見到大塊剝層脫落，證明0.013%Si元素可以提高合金抗剝落腐蝕能力；而復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素后合金剝落腐蝕程度加重，在腐蝕液中可以看到大塊剝層脫落，說明復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素后合金抗腐蝕能力減弱。

(a) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe；(b) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe；(c) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.08Fe

2.6 抗應(yīng)力腐蝕性能

表3所示為3種實(shí)驗(yàn)合金經(jīng)T6時(shí)效后的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時(shí)間。由表3可知：0.013%Si元素的添加使合金應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時(shí)間提升近300 h，但復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素使合金應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時(shí)間縮短至56 h，大幅損傷合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

2.7 電化學(xué)腐蝕

2.7.1 開路電位?時(shí)間曲線

圖9所示為實(shí)驗(yàn)合金在3.5%NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中的開路電位?時(shí)間曲線圖。由圖9可以看出：Al-Zn- Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe添加0.013%Si元素后曲線整體正移，說明添加0.013%Si元素后合金的腐蝕性能變好；而復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素后合金開路電位?時(shí)間曲線整體負(fù)移，說明0.03%Fe元素的添加使Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金抗腐蝕性能變差。一般地，當(dāng)開路電位發(fā)生較大變化時(shí)預(yù)示著腐蝕機(jī)理發(fā)生了改變[13]，0.03%Fe元素的添加使合金由點(diǎn)蝕迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg腐蝕。

(a) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe；(b) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe；(c) Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.08Fe

表3 合金的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時(shí)間

1—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.013Si-0.05Fe；2—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.05Fe；3—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.013Si-0.08Fe。

2.7.2 電化學(xué)阻抗譜

圖10所示為合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜Nyquist圖。由圖10可見：Nyquist圖存在一段較大的容抗弧，因此可以視為一個(gè)時(shí)間常數(shù)。

圖10 合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜Nyquist曲線

圖11 合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜等效電路

圖11所示為根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)體系情況選取的等效電路圖[14]。其中l(wèi)表示溶液電阻，p表示鈍化膜電阻，d表示雙電層電容。

表4所示為根據(jù)選取的等效電路圖使用Zview軟件得到的擬合結(jié)果。由表4可以看出：Al-Zn-Mg-Cu- 0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe合金鈍化膜電阻為109.3 Ω·cm2；添加0.013%Si元素后合金鈍化膜電阻增大到247.2 Ω·cm2，說明添加0.013%Si元素后合金的腐蝕發(fā)生減慢，抗腐蝕性變好；而復(fù)合添加0.013%Si和0.03%Fe元素后，合金鈍化膜電阻減小到100.2 Ω·cm2,說明在Al-Zn-Mg-Cu-0.016Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si- 0.05Fe合金中添加0.03%Fe元素后，耐腐蝕性變差。

2.7.3 Tafel循環(huán)極化曲線

圖12所示為合金的電化學(xué)Tafel循環(huán)極化曲線。表5所示為根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的循環(huán)極化曲線自動(dòng)計(jì)算出的參數(shù)，其中包含有自腐蝕電位(corr)、自腐蝕電流密度(corr)、自腐蝕電位處線性極化電阻(corr)、保護(hù)電位(rep)、保護(hù)電流密度(rep)、保護(hù)電位處線性極化電阻(rep)。由表5可見：Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti- 0.04Cr-0.05Fe合金添加0.013%Si元素后corr和rep顯著減小，而corr和rep顯著增大，證明合金抗腐蝕性明顯變好；而Al-Zn-Mg-Cu-0.016Zr-0.04Ti-0.04Cr- 0.013Si-0.05Fe合金添加0.03%Fe元素后則恰恰相反，corr和rep增大，corr和rep減小，說明其抗腐蝕性 變差。

1—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.05Fe；2—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.013Si-0.05Fe；3—Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-0.013Si-0.08Fe。

3 分析討論

合金中彌散相粒子粒徑與其對(duì)晶界釘扎作用的關(guān)系[15?17]如下所示：

z=3y/(2) (1)

式中：z為合金中彌散相粒子對(duì)晶界的釘扎；y為第二相的體積分?jǐn)?shù)；為基體剪切模量；為Burgers矢量模；為第二相粒子的半徑。由式(1)可見，當(dāng)合金內(nèi)的彌散相體積小、數(shù)量多、分布均勻且彌散，則對(duì)晶界的釘扎作用顯著，從而改善合金的力學(xué)性能。

表4 合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)

表5 合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)

有研究[18?20]表明，鋁合金的應(yīng)力腐蝕通常容易沿再結(jié)晶形成的大角度晶界萌生并拓展，而較不容易沿細(xì)小的亞晶粒晶界擴(kuò)展，因此合金中細(xì)小亞晶粒的數(shù)量決定了合金是否具有良好的抗腐蝕性能。

由實(shí)驗(yàn)的金相組織(圖1(b))發(fā)現(xiàn)，0.013%Si元素的添加使合金在均勻化過程中析出大量Al3Zr彌散相，阻礙基體在隨后的熱處理過程中的再結(jié)晶，使Al-Zn-Mg-Cu-0.16Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe晶粒明顯細(xì)化，較大程度地將細(xì)小的亞晶粒組織保留下來，再結(jié)晶程度較小，提升了合金的力學(xué)性能。另外，由于合金中亞晶粒細(xì)小彌散，給應(yīng)力腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)展提供較大阻力，由于合金中亞晶粒均勻彌散，使腐蝕在合金中均勻推進(jìn)，而不是由某一處劇烈發(fā)生，因此合金的腐蝕性能得到大幅改善。

由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0.03%Fe元素的添加使Al-Zn-Mg- Cu-0.016Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si-0.05Fe合金中形成大量粗大的黑色的Al7Cu2Fe相[21]，并且會(huì)誘發(fā)基體發(fā)生再結(jié)晶，使合金中生成大量的粗大的再結(jié)晶晶粒，導(dǎo)致合金力學(xué)性能和腐蝕性能變差。同時(shí)，這種粗大的Al7Cu2Fe相與基體不共格，當(dāng)合金在擠壓變形時(shí)與基體變形不協(xié)調(diào)，在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的晶格畸變，能量不斷聚集在粒子周圍，固溶過程儲(chǔ)能釋放，推動(dòng)亞晶界遷移，導(dǎo)致亞晶聚合長(zhǎng)大形成再結(jié)晶晶粒，使合金性能變差。Al7Cu2Fe相與鋁基體相比其電位更負(fù)[12]，在腐蝕條件下形成電化學(xué)腐蝕偶，加速腐蝕，因此使得合金的抗腐蝕性能大大降低。

4 結(jié)論

1) Al-Zn-Mg-Cu-0.016Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.05Fe合金中添加0.013%Si元素后，析出相細(xì)小均勻且分布彌散，對(duì)基體再結(jié)晶作用有很好的抑制，使合金經(jīng)擠壓變形后的細(xì)小亞晶粒較好的保留下來，提高合金的強(qiáng)韌性等力學(xué)性能。由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以得出，添加0.013%Si元素后合金的開路電位正移，表征被腐蝕能力強(qiáng)弱的自腐蝕電流密度與保護(hù)電流密度也明顯降低，說明0.013%Si元素的添加對(duì)合金的抗腐蝕性能也大有改善。

2) Al-Zn-Mg-Cu-0.016Zr-0.04Ti-0.04Cr-0.013Si- 0.05Fe合金中添加0.03%Fe元素后，由于有粗大的Al7Cu2Fe相析出，合金發(fā)生大量再結(jié)晶，晶粒粗大，對(duì)合金的強(qiáng)韌性及腐蝕性能有不利的影響，表現(xiàn)在硬度及力學(xué)性能的下降和電化學(xué)腐蝕參數(shù)中開路電位負(fù)移，循環(huán)極化曲線中腐蝕電流密度與保護(hù)電流密度 增大。

[1] 吳一雷, 李永偉. 超高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 1994, 14(1): 49?55.WU Yilei, LI Yongwei. Development and application of ultra high strength aluminum alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 1994, 14(1): 49?55.

[2] 田福泉, 李念奎, 崔建忠. 超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)韌化的發(fā)展過程及方向[J]. 輕合金加工技術(shù), 2005, 33(12): 1?9. TIAN Fuquan, LI Niankui, CUI Jianzhong. Research and development of ultra high strength aluminum alloy[J]. LightFabrication Technology, 2005, 33(12): 1?9.

[3] 謝優(yōu)華, 楊守杰, 戴圣龍, 等. 鋯元素在鋁合金中的應(yīng)用[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2002, 22(4): 56?61. XIE Youhua, YANG Shoujie, DAI Shenglong, et al.of element Zr in aluminum alloysof Aeronautical Materials, 2002, 22(4): 56?61.

[4] QIU D, TAYLOR J A, ZHANG M X. Understanding the Co-poisoning effect of Zr and Ti on the grain refinement of cast aluminum alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41(13): 3412?3421.

[5] 王淑俊. 含Zr 鋁合金的細(xì)化“中毒”現(xiàn)象及其細(xì)化新工藝研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 2009: 1?69.WANG Shujun. Refinement of Zr aluminum alloy and its refining process[D]. Jinan: Shandong University. School of Material Science and Engineering, 2009: 1?69.

[6] 肖政兵, 鄧運(yùn)來, 唐建國(guó), 等. Al-Ti-C與Al-Ti-B 晶粒細(xì)化劑的Zr中毒機(jī)理[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(2): 372?378. XIAO Zhengbing, DENG Yunlai, TANG Jianguo, et al. Poisoning mechanism of Zr on grain refiner of Al-Ti-C and Al-Ti-B[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(2): 372?378.

[7] HE Yongdong, ZHANG Xinming, CAO Zhiqiang. Effect of Minor Cr, Mn, Zr, Ti and B on grain refinement of as-cast Al-Zn-Mg-Cu alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39(7): 1135?1140.

[8] 賀永東, 張新明, 游江海. 復(fù)合添加微量鉻、錳、鈦、鋯對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金組織與性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(12): 1917?1924. HE Yongdong, ZHANG Xingming, YOU Jianghai. Effect of minor Cr, Mn, Ti and Zr on microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu based alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(12): 1917?1924.

[9] 劉宏亮, 疏達(dá), 王俊, 等. 超高強(qiáng)鋁合金中雜質(zhì)元素的研究現(xiàn)狀[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2011, 25(5): 84?87. LIU Hongliang, SHU Da, WANG Jun, et al. Research status on impurities in ultra high strength aluminum alloys[J]. Materials Review, 2011, 25(3): 84?87.

[10] SATO T, KAMIO A, LORIMER G W. Effects of Si and Ti addition on the nucleation and phase stability of the L12-type Al3Zr phase in Al-Zr alloys[J]. Materials Science Forum, 1996, 217: 895?900.

[11] CHEMIN A, MARQUES D, BISANHA L, et al. Influence of Al7Cu2Fe intermetallic particles on the localized corrosion of high strength aluminum alloys[J]. Materials and Design, 2014, 53(1): 118?223.

[12] BIRBILIS N, CAVANAUGH M K, BUCHHEIT R G. Electrochemical behavior and localized corrosion associated with Al7Cu2Fe particlesin aluminum alloy 7075-T651[J]. Corrosion Science, 2006, 48(12): 4202?4215.

[13] 翟開華, 傅駿. 氯化鈉濃度和溫度對(duì)超高強(qiáng)鋁合金腐蝕性能的影響[J]. 化工新型材料, 2015, 43(10): 129?131. HUO Kaihua, FU Jun. Influence of NaCl concentration and temperature on corrosion property of ultrahigh strength Al alloy[J]. New Chemical Materials, 2015, 43(10): 129?131.

[14] 吳萌順. 金屬腐蝕研究方法[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1993: 68?77.WU Mengshun. Research methods of metal corrosion[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1993: 68?77.

[15] NES E, WERT J A. A modeling of recrystallization in alloys with a bimodal particle size distribution[J]. Scripta Metallurgica, 1984, 18(12): 1433?1438.

[16] ZHANG Zhou, CHEN Kanghua, FANG Huachan, et al. Effect of Yb addition on strength and fracture toughness of Al-Zn-Mg-Cu-Zr aluminum alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(5): 1037?1042.

[17] HUANG Ke, MARTHINSEN K，ZHAO Qinglong, et al. The double-edge effect of second-phase particles on the recrystallization behaviour and associated mechanical properties of metallic materials[J]. Progress in Materials Science, 2018, 92: 284?359.

[18] KANNAN M, RAJA V S. Enhancing stress corrosion cracking resistance in Al-Zn-Mg-Cu-Zr alloy through inhibiting recrystallization[J]. Engineering Fracture Echanics, 2010, 77(2): 249?256.

[19] ROBSON J D, PRANGNELL P B. Predicting recrystallized volume fraction in aluminium alloy 7050 hot rolled plate[J]. Materials Science and Technology, 2002, 18(6): 607?614.

[20] DAY M K B, CORNISH A J, DENT T P. The relationship between structure and stress-corrosion life in an Al-Zn-Mg alloy[J]. Metal Science, 2013, 3(1): 175?182.

[21] 佘歡, 疏達(dá), 儲(chǔ)威, 等. Fe和Si雜質(zhì)元素對(duì)7xxx系高強(qiáng)航空鋁合金組織及性能的影響[J]. 材料工程, 2013(6): 92?98. SHE Huan, SHU Da, CHU Wei, et al. Effects of Fe and Si impurities on the microstructure and properties of 7xxx high strength aircraft aluminum alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2013(6): 92?98.

(編輯 趙俊)

Effects of minor Si and Fe additions on microstructure andproperties of Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Ti-Cr-Ti aluminum alloy

ZHOU Zeyu, CHEN Kanghua, XU Jie, DONG Pengxuan

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

To increase the mechanical properties and the stress corrosion cracking resistance of Al-Zn-Mg-Cu alloy, the effects of minor Si and Fe additions onmicrostructure and properties of Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti aluminum alloy were investigated by tensile test, intergranular corrosion, spalling corrosion, stress corrosion cracking test and electrochemical corrosion optical microscopy and aberration corrected high resolution transmission electron microscopy. The results show that compared with the Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-Fe alloy, the addition of minor Si to Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-Fe aluminum alloy increases the ability to inhibit recrystallization during solid solution treatment, which increases the mechanical properties and the stress corrosion cracking resistance. And Jcorr in electrochemical corrosion is coincident with intergranular corrosion. The composite addition of minor Si and Fe to Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti-Fe aluminum alloys can form massive dispersion precipitates, which makes severe recrystallization, decreases the mechanical properties, increasescorrin electrochemical corrosion, and reduces the stress corrosion cracking resistance.

minor Si; minor Fe; Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Cr-Ti aluminum alloy; mechanical properties; electrochemical corrosion

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.006

TG146.2+1

A

1672?7207(2017)12?3177?10

2016?12?29；

2017?04?06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YF130300801)；國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)(51327902)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2012CB619502)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51201186)(Project(2016YF130300801) supported by National Key Research and Development Program of China; Project (51327902) supported by the National Major Scientific Research Equipment Development; Project (2012CB619502) supported by the National Basic Research Development Program; Project (51201186) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陳康華，博士，研究員，從事新型鋁合金及其復(fù)合材料研究；E-mail：khchen@mail.csu.edu.cn