Sc对Al-Zn-Mg合金组织和性能影响的研究

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Al-Zn-Mg合金具有高的比强度、优异的挤压性能和焊接性能,目前已作为结构部件应用于高速列车车体上。但该合金挤压过程中极易发生动态再结晶,不仅对型材的力学性能产生不利影响,而且使合金在服役期间容易发生应力腐蚀开裂,给列车的安全运行带来极大的隐患。在铝合金中,添加Sc是提升其再结晶温度和强度的有效手段,但添加Sc后会引起成本的增加,因而,优化Al-Zn-Mg合金中的Sc添加量不仅可使合金呈现优良的综合性能,还能避免过量Sc添加导致的不必要成本。因此,本论文通过微合金化方法制备了四种不同Sc含量的Al-Zn-Mg合金,系统研究Sc对合金微观组织、力学性能、腐蚀行为和焊接性能的影响,进而揭示Sc对相关性能的影响机理,为含钪Al-Zn-Mg合金在高速列车车体上的应用提供基础理论和技术支持。  在含钪Al-Zn-Mg合金中,Zr和Ti原子能够取代Al3Sc中的部分Sc原子,形成四元Al3(Sc,Zr,Ti)相。添加0~0.11wt%Sc时,在铸锭中无初生Al3(Sc,Zr,Ti)相析出,因而未能细化合金铸态组织。而添加0.23wt%Sc时可引入初生Al3(Sc,Zr,Ti)相,充当α-Al的异质形核核心,进而显著细化合金的铸态组织。均匀化处理后,含Sc合金中析出高密度的二次Al3(Sc,Zr,Ti)相,它们能有效地阻碍热挤压过程中晶界的迁移,进而抑制再结晶。因此含钪Al-Zn-Mg合金几乎由完全的纤维结构组成。添加Sc引起Al-Zn-Mg合金挤压板材强度的增量主要由细晶强化和二次Al3(Sc,Zr,Ti)相的弥散相化贡献,且弥散强化对强度的贡献更显著。  在0~0.11wt%Sc范围内,添加Sc对Al-Zn-Mg合金晶粒尺寸的细化效果使合金表面形成更致密的钝化膜,减轻了表面的局部侵蚀程度,因而降低了合金的腐蚀速率。但当Sc添加量达到0.23wt%时,挤压板材中的初生Al3(Sc,Zr,Ti)相阻碍了合金表面连续钝化膜的生成,导致初生Al3(Sc,Zr,Ti)与基体界面处发生点蚀,同时挤压板材中{011}<112>黄铜织构强度显著提升,由于铝合金中{011}晶面的腐蚀速率较快,使得表面产生了一些较宽的腐蚀条带,因此,导致合金腐蚀速率的增加。  由于晶粒细化、无沉淀析出带宽度变窄以及晶界析出相间距的增加,添加Sc提升了Al-Zn-Mg合金的耐应力腐蚀性能。但进一步增加Sc含量会导致晶界析出相和无沉淀析出带的电化学活性增加,且促进了腐蚀裂纹处氢原子的积聚,合金的耐应力腐蚀性能并未进一步提高。因此,综合性能与成本,Al-Zn-Mg合金中Sc添加量以0.06wt%为宜。  Al-Zn-Mg合金的应力腐蚀性能与外部环境有关,其中溶液pH值对其影响较大。添加Sc可优化合金的微观结构,降低表面局部侵蚀程度,进而全面提升Al-Zn-Mg合金在中性和酸性溶液中的耐应力腐蚀性能。但在碱性溶液中,合金表面还原反应产生的氢原子在慢应变速率拉伸过程中能够进入基体,晶粒细化加速了氢的扩散,从而促进了氢原子在腐蚀裂纹尖端富集,加速腐蚀裂纹的扩展,因而添加Sc导致合金耐应力腐蚀性能的下降。  合金中加入Sc对焊接接头焊缝区组织无影响,但板材中二次Al3(Sc,Zr,Ti)相优良的热稳定性使其在焊接过程中能够阻碍晶界迁移,进而抑制熔合线附近热影响区组织的异常长大。在焊接接头中,焊缝区的硬度值最低,但焊缝余高对其产生补强作用,使得带余高焊缝拉伸时主要在熔合线附近断裂。由于含Sc合金熔合线附近晶粒尺寸细小,且存在一定量的二次Al3(Sc,Zr,Ti)相,它们起到一定程度的强化作用,因此添加Sc使焊接接头的抗拉强度提高18MPa。
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