Sc对7028铝合金铸态组织和性能影响研究

杨 路, 吴 楠, 冯艳飞, 张 宇, 冯 枭, 孙 巍

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

7028铝合金是西班牙于1987年注册的高强铝合金，属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，它具有较高的比强度和比刚度、良好的断裂韧性和耐腐蚀性能、优良的成形性能等优点，以及适于回收利用的环保优势，是目前航空航天领域和其他工业领域的重要应用材料[1-2]。7028铝合金在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基础上，添加Mn元素，能提高合金的耐应力腐蚀性能[3-5]；添加Zr和Ti，可提高合金的可焊性、再结晶温度并细化了合金的铸态组织，使其具有良好的综合性能[6-9]。

Sc是过渡族稀土元素，既有稀土元素净化熔体的性质，又有过渡元素细化晶粒、抑制再结晶的作用。微量添加即可显著改善组织和性能，如提高铝合金的强度、塑性、韧性、热稳定性、耐蚀性等[10-12]。本文通过对含Sc与未含Sc元素的7028合金铸锭进行对比分析，研究Sc元素对该合金的组织和性能影响。

1 试验方案

试验生产直径φ120 mm含Sc的7028铝合金铸锭(以下简称7028+Sc铸锭)和普通7028铝合金铸锭，成分如表1所示。使用熔炼炉、流槽系统、在线除气装置、过滤装置、水循环系统、铸机等设备进行试制，为排除原材料及熔铸工艺对铸锭组织的影响，两种铸锭采用同种材料和熔铸工艺制成，具体参数如表2所示。对两种铸锭进行拉伸试验、冲击试验、低倍组织和高倍组织观察，进而分析Sc的添加对7028铝合金铸态组织和性能的影响。

表1 合金化学成分范围(质量分数，%)

表2 熔铸工艺参数

2 试验结果及分析

2.1 表面质量及尺寸

铸锭直径φ119～φ120 mm，弯曲度2 mm/m，铸棒表面平整，无冷隔、漏铝等缺陷。两种铸锭均有≤1 mm的拉痕，表面质量无明显区别，证明Sc元素的添加并不会对7028铸锭表面质量产生影响。

2.2 成分偏析及低倍

分别在7028铸锭和7028+Sc铸锭横断面边部、1/2半径处、心部取样检测成分，结果见表3。两种铸锭成分均匀且符合表1要求，其中Cu、Mg、Zn的成分偏析量分别小于0.1%、0.15%、0.3%，符合结晶宏观正偏析规律，可知Sc元素的加入并未对7028合金宏观偏析产生影响。

(a)7028铸锭；(b)7028+Sc铸锭

表3 铸锭不同位置化学成分

对两种铸锭相同位置进行低倍检测，检测方法按照国标GBT 3246.2执行，检测结果如图2所示。低倍均无疏松、气孔、羽毛晶、光亮晶粒、粗大化合物聚集等缺陷，晶粒度为1级，但7028铝合金铸锭有一些夹杂，7028+Sc铸锭无夹杂。可知在同样的熔铸工艺控制下，Sc起到了净化熔体的作用，减少了铸锭中杂质的引入。

2.3 力学性能

在两种铸锭相同位置横截面截取力学试样和冲击试样(摆锤冲击V形缺口)，试验结果平均值如表4所示。由结果可知，对比7028铸锭，7028+Sc铸锭的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、冲击韧性都得到了提升，说明Sc元素的添加提升了材料的强度、塑性和韧性。

2.4 组织及晶粒度

7028和7028+Sc铸锭心部组织如图3所示。

表4 力学性能对比

(a)7028铸锭；(b)7028+Sc铸锭

(a)7028+Sc铸锭，200×；(b)7028+Sc铸锭，500×；(c)7028铸锭，200×；(d)7028铸锭，500×

由图3(a)、3(c)可知两种铸锭心部组织都存在枝晶网络；由图3(b)、3(d)可知组织内部均存在点状、块状的第二相，且多数分布在晶界处，晶内只有少量第二相颗粒，属于典型的铸态组织，两种铸锭无明显差别。图4为铸锭的晶粒度图片(100倍)，7028铸锭晶粒度为3级，7028+Sc铸锭晶粒度为4级，可以看出Sc元素的添加，细化了7028合金铸态组织，其原因是Sc和Zr共同作用会形成Al3Sc和Al3Zr[8]，这些粒子会起到非均匀形核作用，从而细化组织晶粒。

(a)7028铸锭；(b)7028+Sc铸锭

3 结论

1)在相同的铸造工艺条件下，7028铝合金和7028+Sc铝合金的表面质量、宏观偏析无明显差异。

2)从铸锭的低倍组织可以看出，Sc的添加减少了7028合金铸态组织中的杂质，起到了净化熔体的作用。

3)与不加Sc元素的7028铝合金铸锭相比，含Sc元素7028铝合金铸锭的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、冲击韧性都得到了提高，且铸态组织晶粒度由3级提升到4级。说明Sc元素的添加细化了组织晶粒，提升了材料的强度、塑性和韧性。