含鈧Al-Zn-Mg-Cu-Zr超高強(qiáng)鋁合金組織與性能的研究.pdf

1、本文采用合金法實(shí)驗(yàn)測(cè)定了Al-4at.％Mg-Sc-Zr系富Al角430℃等溫截面和Al-0.30wt.％Sc-Zn-Cu系富Al角450℃下的等溫截面，作者制備9種不同鋅、銅、鈧含量的Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金，采用金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)研究了鈧對(duì)A1-Zn-Cu-Mg-Zr合金鑄態(tài)組織的影響，鑄態(tài)C-2＃合金均勻化退火過(guò)程中二次Al3(Sc，Zr)粒子的析出行為，Sc及熱處

2、理對(duì)Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金組織性能的影響，以及C-2＃合金的再結(jié)晶行為，探討了C-2＃合金的再結(jié)晶形核機(jī)制。獲得如下研究成果： (1)采用合金法測(cè)定獲得Al-4at.％Mg-Sc-Zr系富Al角430℃下的等溫截面，在A1-4at.％Mg-Sc-Zr系富Al角430℃等溫截面中，包含一個(gè)α(A1)單相區(qū)，α(A1)+Al3(Sc，Zr)、α(A1)+Al3(Zr，Sc)兩個(gè)兩相區(qū)，α(Al)+Al3(Sc，Zr)+Al

3、3(Zr，Sc)一個(gè)三相區(qū)。Al3(Zr，Sc)為DO23型結(jié)構(gòu)，Al3(Sc，Zr)為L(zhǎng)12型結(jié)構(gòu)，Sc在Al3(Zr，Sc)中的最大固溶度為20at.％Sc，Zr在Al3(Sc，Zr)中的最大固溶度為50at.％Zr。 (2)采用合金法測(cè)定獲得Al-0.30wt.％Sc-Zn-Cu系富Al角450℃下的等溫截面，在Al-0.30wt.％Sc-Zn-Cu系450℃等溫截面中，包含α(Al)+Al3Sc、α(Al)+W兩個(gè)兩相區(qū)

4、，α(Al)+Al3Sc+W一個(gè)三相區(qū)。 (3)含Sc的A1-Zn-Mg-Cu-Zr合金凝固時(shí)，從熔體中析出方塊狀第二相，能譜分析表明，該相Al原子含量為75.05at.％Al，Sc原子含量為15.59at.％Sc，Zr原子含量為6.80at.％Zr，Al原子分別與Sc、Zr原子總量比符合Al3(Sc，Zr)原子比，結(jié)合X射線衍射分析表明，該方塊相粒子為一次Al3(Sc，Zr)相粒子；從熔體中析出的一次Al3(Sc，Zr)粒子與

5、α(Al)基體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)相近，α(Al)原子依附于一次Al3(Sc，Zr)相形核長(zhǎng)大，一次Al3(Sc，Zr)粒子顯著細(xì)化α(Al)基體晶粒。 (4)含Sc的A1-Zn-Mg-Cu-Zr合金凝固時(shí)，從熔體中先形成晶體結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)12型的亞穩(wěn)態(tài)Al3Zr相，隨后在L+Al3Zr→α(Al)+Al3(Sc，Zr)包晶反應(yīng)的凝固過(guò)程中，Sc原子向L12型亞穩(wěn)態(tài)Al3Zr相粒子擴(kuò)散，替代Al3Zr粒子中部分Zr原子，形成L12型一次

6、Al3(Sc，Zr)相粒子，一次Al3(Sc，Zr)粒子的中心部位為富Zr的Al3(Sc，Zr)相，挨著中心部位的外層為富Sc的Al3(Sc，Zr)層，之后是富Zr的Al3(Sc，Zr)層與富Sc的Al3(Sc，Zr)層相間排列，形成Sc、Zr成分梯度分布、襯度明暗相間的一次Al3(Sc，Zr)方塊狀粒子。 (5)鑄態(tài)C-2＃合金經(jīng)450℃×2h退火后，α(Al)基體內(nèi)析出呈豆瓣?duì)畹亩蜛l3(Sc，Zr)粒子，在450℃×32

7、h退火后，Al3(Sc，Zr)粒子基本沒(méi)有長(zhǎng)大，粒子尺寸為16～23nm。在透射電鏡下觀察到的二次Al3(Sc，Zr)析出相的高分辨微觀結(jié)構(gòu)表明，鑄態(tài)C-2＃合金經(jīng)450℃×32h退火后，二次Ah(Sc，zr)相與α(Al)基體完全共格。 (6)Sc在A1-Zn-Mg-Cu-Zr合金中的強(qiáng)化效應(yīng)主要源于：①細(xì)晶強(qiáng)化，含Sc的A-2＃、B-2＃、B-3＃、C-2＃、C-3＃和C-4＃合金在凝固過(guò)程中析出一次Al3(Sc，Zr)粒子

8、，顯著細(xì)化鑄態(tài)α(Al)基體晶粒；②亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，含Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中的二次Al3(Sc，Zr)粒子強(qiáng)烈釘扎位錯(cuò)，使合金在變形過(guò)程中形成由纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的胞狀組織，在隨后固溶處理過(guò)程中回復(fù)形成二維位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)組成的亞晶界，對(duì)合金形成亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化；③析出強(qiáng)化，二次Al3(Sc，Zr)粒子及其應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)交互作用，當(dāng)位錯(cuò)切割A(yù)l3(Sc，Zr)粒子后，表面積增加，提高界面能，二次Al3(Sc，Zr)共格析出相周?chē)a(chǎn)生共格畸變，存

9、在應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；Al3(Sc，Zr)粒子層錯(cuò)能與α(Al)基體不同，擴(kuò)展位錯(cuò)切割A(yù)l3(Sc，Zr)粒子時(shí)位錯(cuò)寬度發(fā)生變化，引起能量升高，以及螺型位錯(cuò)切割A(yù)l3(Sc，Zr)粒子時(shí)產(chǎn)生的割階阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，引起合金強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)。 (7)含Sc的A-2＃、B-2＃、B-3＃、C-2＃、C-3＃和C-4＃合金分別在T6、T76及RRA等不同時(shí)效熱處理態(tài)的力學(xué)性能比不含Sc的A-1＃、B-1＃、C-1＃合金均有顯著提高；含2.50

10、.wt％Cu的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金中沒(méi)有出現(xiàn)W(AlCuSc)相，適當(dāng)提高含Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中Zn含量和Cu含量，合金的力學(xué)性能有所提高。論文獲得含8.90wt.％Zn、2.45wt.％Cu、0.20wt.％Sc及0.16wt.％Zr的C-2＃合金經(jīng)強(qiáng)化固溶+T6處理后，抗拉強(qiáng)度為765.2MPa，延伸率為8.1％，相對(duì)電導(dǎo)率為33.4％IACS，C-2＃合金是具有很好發(fā)展前途的含Sc超高強(qiáng)鋁合金

11、。 (8)冷軋變形的C-2＃合金α(Al)晶粒內(nèi)位錯(cuò)急劇增加，位錯(cuò)形成三維胞狀結(jié)構(gòu)組態(tài)，胞壁由復(fù)雜的位錯(cuò)纏結(jié)構(gòu)成，冷軋態(tài)C-2＃合金在375℃×1h退火后，個(gè)別區(qū)域位錯(cuò)纏結(jié)胞壁開(kāi)始減薄，顯微組織形貌仍是大量復(fù)雜纏結(jié)位錯(cuò)團(tuán)及分散其間的第二相粒子，呈現(xiàn)二次Al3(Sc，Zr)粒子對(duì)位錯(cuò)的釘扎行為，C-2＃合金在冷軋后經(jīng)400℃×1h退火后，位錯(cuò)纏結(jié)程度開(kāi)始減輕，425℃×1h退火后，位錯(cuò)纏結(jié)胞壁變薄，位錯(cuò)重組，形成位錯(cuò)墻及較為規(guī)則的

12、位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，C-2＃合金處于回復(fù)過(guò)程中。冷軋態(tài)C-2＃合金在450℃×1h退火后，α(Al)晶粒內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量很少，近似線形排列的位錯(cuò)墻明顯增多，亞晶粒開(kāi)始形成，475℃×1h退火后，α(Al)晶粒內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量進(jìn)一步減少，亞晶合并與長(zhǎng)大，C-2＃合金再結(jié)晶過(guò)程開(kāi)始。 (9)冷軋態(tài)C-2＃合金在375～550℃不同溫度下分別保溫1h后，測(cè)定顯微硬度及金相觀察，獲得C-2＃合金再結(jié)晶起始溫度為475℃，再結(jié)晶終了溫度為525℃。 (