摘要：研究了 Sc 含量和热处理工艺对 Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc 合金微观结构、力学及阻尼性能的影响，发现 Sc 添加量为 0.25% 的合金表现出最佳的综合性能。

导读

研究了 Sc 含量和热处理工艺对 Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc 合金微观结构、力学及阻尼性能的影响，发现 Sc 添加量为 0.25% 的合金表现出最佳的综合性能。

近年来，无人机技术已成为快速获取地理空间数据的有效手段，随其快速发展，对机身选材提出了越来越高的性能要求。7XXX系铝合金因具有比强度高、耐腐蚀、密度低、焊接加工性能好等特点，已被广泛应用于机械制造及交通运输领域。进一步优化7XXX系铝合金力学及阻尼性能，有望使其在无人机制造领域获得广泛应用。

成分调整是优化7XXX系铝合金综合性能的重要手段之一，将Sc加入含Zr铝合金熔体中，可在凝固过程中形成初生Al3（Sc，Zr）相。作为异质形核点，该相可大幅细化、等轴化铸态合金晶粒。对铸态合金进行后续均匀化热处理，可析出与Al基体共格的纳米Al3（Sc，Zr）相，该相具有强晶界钉扎效应，因此，可提高合金再结晶温度并进一步促进7XXX系铝合金晶粒细化。研究表明，细晶结构不但有助于优化铝合金的强度、塑性等力学性能，而且可提高铝合金的阻尼内耗值。尽管含Sc的7XXX系铝合金具有优异的综合性能，但是高昂的价格限制了其工程应用。因此，关于7XXX系铝合金Sc添加量的研究尤为重要。

【文章来源及内容】

桂林理工大学刘崇宇等在《特种铸造及有色合金》2025 年第 45 卷第 1 期发表了题为 “Sc 添加量对 7XXX 系铝合金结构、力学和阻尼性能影响”的文章。文章通过实验研究了不同 Sc 含量和热处理工艺对 Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc 合金的影响。

【研究亮点】

Sc 添加形成的纳米 Al3（Sc，Zr）相能抑制合金在热处理过程中的再结晶和晶粒粗化。Sc 添加量为 0.25% 的合金展现出优异的力学与阻尼综合性能。固溶 - 人工时效合金强度高于固溶 - 自然时效合金，但塑性较低，高温内耗值更高。

【研究方法】

原材料包括99.99%（质量分数，下同）的Al锭、99.9%的Zn锭、Al-50Mg、Al-2Sc、Al-50Cu和Al-10Zr中间合金。首先将铝锭放入SJ2-7.5-12型电阻炉内的坩埚中加热，熔炼温度为780 ℃。依次将Al-2Sc、Al-10Zr、Al-50Cu中间合金、Zn锭、Al-50Mg中间合金加入炉中，待其全部熔化后保温0.5 h。浇注温度为710~720 ℃，采用石墨型，浇注前对其进行200 ℃预热。所制备的4种合金的设计化学成分见表1。

对铸态合金进行470 ℃×24 h均匀化处理，再通过多道次热轧将其由12 mm轧至4 mm，热轧温度为450 ℃。对热轧态试样进行470 ℃×1 h退火处理，再通过多道次冷轧轧至2 mm。对冷轧试样分别进行T6和T4两种后续热处理。T6处理工艺：470 ℃×1 h固溶处理后进行120 ℃×24 h人工时效处理，记为T6试样；T4处理工艺：470 ℃×1 h固溶处理后在室温环境中静置240 h，记为T4试样。

对试样依次用180、600、1 200和2 000号砂纸打磨，随后利用W2.5金刚石研磨膏进行机械抛光，使其呈镜面状态。通过光学显微镜（OM，DMi8，Leica）及扫描电镜（SEM，Gemini SEM 300，Zeiss）观察合金微观结构。使用能谱仪（EDS）研究相化学成分。OM阳极覆膜腐蚀液为HF酸-H2BO3酸-蒸馏水混合液，电压为20 V。对试样研磨至0.1 mm后进行双喷减薄，双喷腐蚀液为HNO3-CH3OH混合液，环境温度为-10 ℃，对制得试样进行透射电镜（TEM，Talos F200X，FEI）观察。

沿轴线平行于轧制方向制备拉伸试样。使用万能力学试验机（AGS-X， Shimadzu）在1.1×10-3 s-1的应变速率下测试合金的拉伸性能，并绘制应力-应变曲线。沿轴线平行于轧制方向制备阻尼试样，其尺寸为35 mm×4 mm×2 mm。使用动态机械分析仪（DMA， 242E， Netzsch）测定合金的内耗值，测试振幅为10 μm，频率为1 Hz，测试温度为30~360 ℃。

【全文解读】

T6态0Sc合金的晶粒长径比显著低于相同热处理状态其他合金的晶粒长径比。由冷轧所导致的纤维状组织在经T6处理后的含Sc合金内得以保留。T6态0.25Sc和0.4Sc试样晶粒尺寸显著低于相同状态下的0.1Sc试样晶粒尺寸。另外，对于具有相同化学成分的试样，热处理并未显著影响其晶粒形态与尺寸。

图1合金经过不同热处理后的OM图像

研究表明，少量Sc添加不会导致铝合金在凝固过程中形成初生Al3（Sc，Zr）或Al3Sc相。在本研究中，当Sc添加量仅为0.1%时，试样在熔铸过程中未形成初生Al3（Sc，Zr）相，因此未出现显著的非均匀形核现象。低Sc含量还导致试样在均匀化处理的早期阶段难以形成高密度纳米Al3（Sc，Zr）相沉淀，因此，晶界迁移未得到有效地控制，这导致了该试样发生晶粒粗化。尽管后续轧制变形可细化合金晶粒，但其尺寸仍远高于相同状态下高Sc含量合金的晶粒尺寸。

高Sc含量导致7XXX系铝合金在熔铸过程中形成初生Al3（Sc，Zr）相，进而促进熔体在凝固过程中发生非均匀形核。在均匀化热处理过程中，高Sc含量7XXX系合金内形成高密度纳米Al3（Sc，Zr）相，这些相在后续轧制及固溶处理过程中有效地钉扎了晶界，抑制了合金的再结晶。因此，T4及T6态高Sc含量合金晶粒更加细小。变形态合金的晶粒粗化发生在高温固溶处理阶段，而非低温时效阶段。本研究所用的两种热处理方法的固溶处理制度相同，因此，相同化学成分合金在不同热处理状态下具有相同的晶粒结构。研究还表明，添加质量分数为0.25%的Sc后，合金能够兼顾晶粒细化与成本效益。

T6态0.25Sc与0.4Sc合金内的第二相密度显著高于相同状态下0Sc和0.1Sc合金中第二相密度。能谱结果显示，0Sc与0.1Sc合金内的第二相为含Fe相，而0.25Sc与0.4Sc合金中第二相主要为Al3（Sc，Zr）相。轧制可导致合金内的部分微米级初生Al3（Sc，Zr）相碎化，并沿轧制方向呈链状分布。对于具有相同化学成分的试样，热处理并未显著影响其Al3（Sc，Zr）相分布与尺寸。

图2合金经过不同热处理后的SEM图像

0.1Sc试样内存在尺寸为1 μm左右的亚晶粒，这是该试样在T6热处理过程中形成的再结晶晶粒。在0.1Sc和0.4Sc合金内均可观察到高密度纳米相，通过对其衍射斑点分析也可知这些相为Al3（Sc，Zr）相。Al3（Sc，Zr）相对晶界和位错均具有钉扎作用。0.1Sc合金的Al3（Sc，Zr）相平均尺寸约为36 nm，而0.4Sc合金的Al3（Sc，Zr）相尺寸更大，约为60 nm。

图3合金经过T6处理后的低倍TEM图像

T6处理态0.1Sc合金试样内存在高密度针状纳米析出相，该相尺寸小于10 nm。由高分辨TEM可知，纳米针状相为η′相。

图4T6-0.1Sc合金的高倍TEM明场像及高分辨透射照片

可见无论T4还是T6态的合金，其强度均随Sc含量增加而增加。相比于T4态合金，T6态合金的强度更高，但是伸长率更低。相比于其他成分合金，0.25Sc合金在T4与T6状态下均表现出更佳的综合力学性能。

图5合金经过不同热处理后的应力-应变曲线

由Sc添加所引起的Al3（Sc，Zr）相硬度高于Al基体硬度，因此可提高合金强度，进而导致T4与T6态合金的强度均随Sc含量提高而提高。此外，高Sc含量（0.25%和0.4%）合金的晶粒更加细小，因此，相较低Sc含量（0.1%）和无Sc合金具有更高细晶强化效应。T6态合金拥有高密度η′相，更高的析出强化效应导致其强度高于T4态合金。

尽管高Sc含量合金具有更高的强度，但在拉伸过程中，高密度粗大初生Al3（Sc，Zr）相引起更大的应力集中，这导致了0.4Sc合金塑性不理想。相比于T6态合金，T4态合金内的固溶原子数量更多，因此，其加工硬化率及塑性更高。

各合金的内耗值均随温度升高而升高。无论T4还是T6态，随Sc含量增加，合金的最高温内耗值均先增加后下降。0.1Sc与0.25Sc合金表现出更高的阻尼性能。对于相同化学成分的合金，T6态合金表现出更高的高温内耗值。

图6合金经过不同热处理后的内耗曲线

铝合金的高温阻尼机制为以晶界滑移为主的界面滑移。0Sc合金和0.1Sc合金晶粒尺寸大于0.25Sc合金和0.4Sc合金的，因此其晶界滑移能力更差。但无论在何种状态下，0.1Sc合金的高温内耗值均高于0.4Sc合金的高温内耗值，这主要是由于在高温环境中0.4Sc合金内的高密度具有晶界钉扎作用的纳米Al3（Sc，Zr）相，对晶界滑移具有一定的抑制作用。在晶界钉扎相密度与晶粒尺寸的双重影响下，0.1Sc与0.25Sc合金阻尼值更高。Al/η界面滑移也会影响铝合金的高温阻尼值，因此，对于相同化学成分的合金，T6态合金高温内耗值略高于T4态合金的高温阻尼值。

【主要结论】

（1）Sc添加量为0.1%可有效抑制冷轧态Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金在固溶处理时发生再结晶，但少量添加无法有效细化合金晶粒。当Sc添加量为0.25%时，T4及T6态Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金表现出细晶结构，而进一步增加Sc含量至0.4%，合金的晶粒未能被进一步细化。Sc含量增加可显著增加Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金中Al3（Sc，Zr）相密度，T6热处理则可促进高密度η′相的形成。

（2）相比于T4态合金，高密度纳米析出相使T6态合金表现出更高的强度及更低的塑性。T4与T6态合金的强度随Sc含量增加而增加，添加0.25%的Sc后合金表现出最佳的综合力学性能。

（3）随Sc含量增加，T4及T6态合金的最高温内耗值均先增加后下降。在晶界钉扎相密度与晶粒尺寸的共同影响下，添加0.1%与0.25%的Sc后合金表现出更高的高温内耗值。更多的相界使得T6态合金的高温阻尼值略高于相同化学成分T4态合金。

【引用格式】

周杰锋，刘崇宇，杨霞. Sc 添加量对 7XXX 系铝合金结构、力学和阻尼性能影响［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（1）：95 - 99.

ZHOU J F，LIU C Y，YANG X. Effects of Sc addition on microstructure，mechanical properties and damping capacity of 7XXX series Al alloys［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（1）：95 - 99.

扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。

来源：特铸杂志