7系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，属于超强铝合金，具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能优良等优点，多用于航空航天工业、工兵装备、大型压力容器、车辆、建筑、桥梁等。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基础上成功地开发了7075，B95，B93和D．TD683等合金，这些合金相对具有较好的力学性能，至今仍广泛应用于航空航天工业，但是，这些合金在应用中依然很难实现强度、韧性以及抗应力腐蚀性能的最佳组合［1—2］。钪元素的原子序数为21，在元素周期表中与钛元素邻近，属于3d型过渡元素，同时也是稀土元素的一种。Sc是非常有效的铝合金细化剂，在铝合金中添加微量Sc能显著细化铝合金铸锭晶粒，同时又能消除晶内枝晶组织，被认为是迄今为止唯一能生产出具有非枝晶组织半连续铸锭的变质剂［3—4］。通过加入Sc不仅可以克服其应力腐蚀敏感性的突出问题，并且通过产生Al3Sc等沉淀强化相对基体进行强化，这些沉淀相还可以阻碍晶粒的生长从而细化晶粒获得优良的强度和塑性的匹配，从而可以做到在降低应力腐蚀敏感性问题的同时不降低强度［5］。研究显示，含0．3%Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金凝固时Al3(Sc，Zr)相可作为异质形核核心，细化合金铸态组织，抗拉强度和伸长率显著高于不加钪的铝合金;Sc和Zr复合添加使7005合金延伸率及抗拉强度显著提高，可以降低Al-Mg-Si-Mn合金的晶粒尺寸;Al-4Mg-0．3Sc合金在动态再结晶过程中Al3Sc粒子阻碍亚晶界迁移，得到了细小均匀晶粒［6—9］。7系铝合金成分含量不为共晶成分点，低熔点共晶易于出现在晶界处，在结晶过程中发生成分偏析，造成晶界与晶内的成分不一的现象。在高温下，低熔点共晶的融化会使材料发生蠕变，这种蠕变的速度很慢，很难被立即发现，但当它积累到临界点时则容易发生断裂。所以有必要对晶界以及晶内的成分进行分析，从而能够有效地了解晶界、晶内的成分差异，避免产生脆性晶界，也可以为工程上类似合金的生产提供工艺的参照。文中通过在某7系铝合金中添加微量Sc，探究不同Sc含量对合金铸态组织性能及合金主要元素分布情况的影响。
1实验
在功率为5kW的电炉中用陶瓷坩埚熔炼相应的7系铝合金，其化学成分(质量分数):Zn为5．0%～6．0%，Mg为1．3%～2．0%，Cu为2．0%～2．6%，Ti为＜0．05%，Fe为＜0．05%，Si为＜0．05%，其他＜0．1%，Al为余量。由于钪的熔点过高(1541℃)，不适合直接制备铝钪合金，因此制备铝钪合金时往往需要加入Al-Sc中间合金来实现。实验前所有原料进行预热干燥以备用。首先将7系铝合金放到预热的坩埚中选用二号覆盖剂进行覆盖，加热到730℃并适当保温，铝合金充分熔化后将配制好的不同质量分数(0．05%，0．10%，0．15%，0．20%，0．25%，0．30%，0．35%)的Al-Sc中间合金加入熔体充分搅拌，待合金全部熔化后，加入六氯乙烷精炼合金，经除气、扒渣，适当保温后浇入钢型中水冷。实验合金经退火热处理工艺(420℃保温24h)后，在铸锭中部同一位置制取金相试样，试样经粗磨、精磨、抛光后用Kellers试剂(90%蒸馏水+5%硝酸+2%氢氟酸+3%盐酸)腐蚀。试验合金组织观察和分析分别在4XB-TV光学显微镜(OM)和JSM-6490LV扫描电镜上进行(SEM)，合金相成分采用能谱分析(EDS)，用Image-proplus6．0图像处理软件测定晶粒尺寸，用高精度布氏硬度仪测量材料布氏硬度。
2结果与分析
2．1Sc含量对合金微观组织的影响
图1a—d分别为Sc的质量分数为0，0．05%，0．1%和0．15%的试样的微观组织的金相图片。合金中未添加Sc时，如图1a所示，其晶粒粗大，为蔷薇状或团块状晶粒，晶粒的大小不均匀，晶间分布着近连续的第二相和少量晶内第二相，晶界处存在较多的非平衡共晶组织，晶粒尺寸约为106μm。随Sc质量分数增加，树枝晶大幅减少，球状晶粒增多，且由于Sc的加入，晶粒逐渐细化，分布趋于均匀，粘结现象明显减小。当Sc的质量分数0．15%时，如图1d所示，晶粒趋于圆润，明显细化且分布均匀，晶粒尺寸约为45μm，但晶界较宽。图1e—h分别为Sc的质量分数为0．2%，0．25%，0．3%，0．35%的试样的微观组织金相图。当Sc的质量分数为0．20%时，如图1e所示，此时的晶粒圆润而且细小均匀，晶粒球化充分，晶间无明显的第二相和晶内第二相，晶粒尺寸约为41μm，为理想的铸态组织。当Sc质量分数大于0．2%时，可以看出晶粒两极分化现象，晶界宽大且出现明显第二相，相邻晶粒间出现搭接、长大、团聚现象，晶粒边界尖锐，晶粒大小不一且尖锐的晶界会引起应力集中，不利于强度的提高，晶粒尺寸逐渐增加。通过Image-proplus6．0图像处理软件对金相图片进行分析，得到不同Sc含量平均晶粒尺寸及形状系数，如图2所示。由图2可知，随着Sc的质量分数的上升，晶粒平均尺寸呈现先下降后上升的趋势，而形状系数呈现相反趋势。当Sc的质量分数增加到0．15%的过程中，晶粒尺寸快速下降，由106μm下降到45μm，晶粒形貌变得均匀圆整;当Sc的质量分数为0．2%时，其晶粒最细小，约为41μm，随着Sc的质量分数的继续增加，晶粒尺寸小幅度上升，晶粒间粘结且有棱角，出现恶化趋势。微量钪对铝合金合金化作用的主要原因在于生成稳定的Al3Sc相。由铝钪二元相图可知:在钪的质量分数为0．60%，温度为655℃时，会发生共晶反应L→α(Al)+Al3Sc［10］。化合物Al3Sc为Ll2型结构，面心立方晶格(AuCu3型)，点阵常数a=(0．4106±0．007)nm与Al基体(面心立方，a=0．405nm)相似，满足“点阵匹配原理”，减小两者的接触角，能够很好地润湿基体晶粒，从而使Al3Sc相质点与基体晶粒结晶面具有较小的表面张力，有利于非均质形核，达到细化、球化晶粒的目的［11］。当Sc的质量分数从0逐渐增加时，此时的Sc固溶在金属液中，合金熔点下降，固液相线间距增加，形成的Al3Sc增加，晶核增多，晶粒的细化效果显著。当Sc的质量分数为0．2%时，有大量的晶核同时形成，浇注后为细小、均匀的球状晶粒。当Sc的质量分数增加到0．30%时，Sc的含量基本达到饱和溶解度(655℃时Sc在铝中的溶解度为0．32%)。由于过冷度减小，临界晶核半径以及形核功均增大，所需的能量起伏大，晶核形成困难，且浇注后形核释放大量的凝固潜热，形成负温度梯度，所以有少量的树枝晶形成，晶粒逐渐增大［12］。
2．2Sc含量对合金力学性能的影响
显微硬度是材料塑性变形能力和强度等力学性能的综合指标，硬度随Sc含量变化的曲线如图3所示。不加入Sc时材料的硬度为174．6MPa，随着Sc的质量分数的增加，其硬度不断上升;当Sc的质量分数为0．15%，0．2%，0．25%时，其硬度趋于平缓，最大值为244．9MPa。随着Sc的继续加入，硬度出现明显下降，当Sc的质量分数为0．35%时，硬度降低为212．5MPa。添加微量Sc的合金在冷却过程中，Sc在铝液中的过饱和固溶体发生分解，其在铝基体中的很多区域内同时并迅速地以平衡方式产生高度弥散、共格的次生Al3Sc相质点。这些弥散的Al3Sc与位错反应产生柯氏气团从而钉扎位错，阻碍位错的运动，使位错滑移所需切应力大大提高;另外这些质点对亚结构具有强烈的稳定化作用，而且许多亚晶界由二维的位错网络组成，从而对合金造成了强烈的亚结构强化作用，从而引起合金强化［13］。而Sc质量分数大于0．3%时，由于其含量超过了饱和溶解度，所以会先析出ɑ相(纯铝的结晶相)，这种初生相的存在会软化基体;由Al-Cu-Sc三元合金相图可知，Cu与Sc可能形成W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相，这种相在随后的热处理工艺中不回溶，W相中的Cu和Sc不参与合金强化，从而降低了硬度。
2．3Sc含量对合金元素分布的影响
对不同特征Sc含量时，晶界与晶内多个点进行扫描与能谱图分析，求其平均值，得到分析结果如图4所示。材料不加入Sc时，对比晶界与晶内平均成分，可以看出Al元素明显偏聚于晶内，而Cu元素明显偏聚于晶界，Zn和Mg元素主要分布于晶粒内部。随Sc含量的增加，Zn和Mg元素在晶界与晶内的分布趋于均匀，Cu的晶间偏析逐渐加重;当Sc含量增加到0．35%时，Cu元素在晶界的含量显著上升到27．47%。由Al-Cu-Sc三元合金相图可知，与Al固溶体平衡的有3个相:CuAl2，Al3Cu，W(ScCu6．6-4Al5．4-8)，W相在含Sc熔体结晶时形成。随Sc含量的增加W相比例也增大，而CuAl2的比例则逐渐减小。这说明，在合金中随着Sc含量增加，形成ScCuAl化合物的能力和趋势不断增加，形成CuAl2化合物的能力和趋势则不断下降。Sc与合金中Cu强烈的交互作用，以致Sc的加入可以夺取CuAl2化合物中的Cu形成新的化合物。另外铜的熔点较高，在凝固的过程中由于铜含量较少，所以形成低熔点的先析出相，向晶界处富集。随着凝固过程的进行，铜的富集现象越来越严重，最终形成了晶界处铜的偏析现象。Al-Zn-Mg三元相图可知，未加稀土的合金中，化合物主要为T(Al2Mg3Zn3)相;合金中加Sc后，除T相外，还观察到含Al，Zn，Mg，Sc四种元素的化合物，且T相的弥散程度和体积分数显著增加，故Zn，Mg元素的分布趋于均匀［14］。
3结论
1)Sc元素的加入，细化了合金组织中基体晶粒尺寸，改善了基体晶粒形貌;当Sc质量分数为0．2%时，其晶粒最细小，约为41μm，但当Sc的质量分数继续增加，晶粒出现恶化趋势。2)添加Sc可以提高合金的硬度，当Sc质量分数为0．25%时，其硬度值最大为244．9MPa;但当Sc的质量分数继续增加，由于W(ScCu6．6-4Al5．4-8)相在随后热处理工艺中不回溶，从而降低了硬度。3)Sc元素的加入，增加了合金中Cu等元素形成化合物的趋势和能力，增大了Cu元素的枝晶偏析;减小了合金基体中Zn和Mg等合金元素形成化合物的趋势和能力，而对其枝晶偏析影响不大。
作者：赵宾 李向博 王久林 薛克敏 单位：合肥工业大学 材料科学与工程学院
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