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微合金化铝合金的微观组织演变与性能研究

陈志国  
【摘要】:铝及铝合金作为仅次于钢铁的一类量大面广的传统金属材料,在国民经济和国防建设中具有十分重要甚至不可替代的作用。尤其是航空、航天等高新技术的发展,对铝合金性能提出了愈来愈高的要求。当前,铝合金正朝向高比强、高比模、高损伤容限和耐热、耐蚀方向发展,而微合金化一直是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要手段,已成为当今的研究热点,引起了世界各国的广泛关注。近年来尽管在此方面已进行了大量的探索,并取得了重要进展,但微量元素在铝合金的存在形式及作用机理上仍存在较大争议和分歧。继续开展此方面的研究,不断积累有关资料和数据,并从理论上加以总结和深化,对于改善现有合金的性能和设计新合金都有很大意义。 本论文在充分分析国际上铝合金微合金化方面现有研究成果和以往研究工作的片面性以及不足之处的基础上,运用先进的计算技术及透射电子显微电镜、高分辨电镜、扫描透射电镜等先进的微观分析手段,进一步系统研究了Ag、Sc、Zr等微合金化铝合金的时效特性与微观组织演变,并对各主要微量添加元素在铝合金中的存在形式和作用机理进行了探讨。 为了系统地研究微量钪、锆在铝合金中微合金化作用及其机理,本文首先选择Al-0.2Sc二元及Al-0.2Sc-0.12Zr三元合金为研究对象,采用多种先进的电子显微技术分别研究了合金铸态、均匀化态、轧态等状态的微观组织与结构,并采用在电子显微镜中原位观察的方法研究了析出相对合金再结晶的影响,研究结果表明:在冷轧态的Al-0.2Sc及Al-0.2Sc-0.12Zr合金中分别存在Al_3Sc、Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)析出相,且它们与基体的位向关系是:(001)_a//(001)_(Al3Sc or Al3(Sc1-xZrx)),[010]_a//[010]_(Al3Sc or Al3(Sc1-xZrx));Al_3Sc能够在Al-0.2Sc合金的热轧过程中析出,而Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)不仅能在Al-0.2Sc-0.12Zr合金的热轧过程中析出,而且能在凝固过程中析出;在析出相Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)中存在明显的微成分偏析,核心部位富Zr,而在其边界则大量富集Sc;Al_3Sc能够强烈地钉扎晶界和亚晶界,只有当Al_3Sc溶解后才可能使Al-0.2Sc发生再结晶;铝钪化合物Al_3Sc、Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)的析出是钪微合金化铝合金细化铸锭晶粒组织、抑制再结晶的充分条件。 高cu:Mg比的Al一4.oCu一0.3Mg一(0 .4Ag)一0.Zsc合金时效特性与微观组织演变研究结 果表明:含微量抗的Al一4Cu一0.3Mg合金在180℃时效存在较长的孕育期,且在时效早期 (2.5小时前)合金中保留大量的位错环,而抗、银复合微合金化的Al一4Cu一0.3Mg合金淬火 态并不存在大量的位错环,这表明微量银的添加具有抑制空位团聚并坍塌成位错环的作 用。在Al一4Cu一0.3Mg合金中复合添加微量银、抗比微量抗单独添加具有更强的时效硬化 效果,且缩短了时效孕育期。银、抗微合盆目七的Al一4Cu一0.3Mg一(0 .4Ag)一0.2sc合金具有 以下五种微观组织演变过程: 一GP区一0’‘一0 ~GPBI~S ~e 过饱和固溶体一卜0 一洲卜O 一e 微量抗的添加延缓了Al一4Cu一0.3Mg合金从过饱和固溶体一GP区一0’‘一e‘~e的主时 效析出进程,但促进了从过饱和固溶体~GPBI一S及从过饱和固溶体一el,’的时效析出 过程。微量银的添加除促进主时效析出过程外,更为显著的是促进了从过饱和固溶体一 。相的时效析出过程。微量银能偏聚于0相、。相及0‘等析出相,而抗偏聚于这些析 出相的倾向则弱得多。微量抗在Al一4Cu一0.3Mg合金中除以A13Sc的形式存在外,还有部 分抗偏聚于GPB。 通过在中等Cu: Mg比Al一2.SCu一1.SMg合金、以及A1一巧Ag等合金中添加微量 0.Zwt%SC,结果发现微量抗的添加增强了这些合金的时效硬化效果。通过透射电镜分析 比较合金的显微组织,发现微量抗的添加促进了Al一2.SCu一SMg一0.ZSc合金中GPB、 Al一1 SAg一0.ZSc合金中丫‘等相的弥散细小析出;Al一2.SCu吸.SMg一(0.ZSc)合金时效初期 (60秒内)的快速硬化过程归因于其中Cu、Mg以及Cu/Mg原子团簇硬化,而GPB在合金 时效硬化第二阶段的初期才开始析出,并且是该合金第二阶段时效硬化的主要原因;在 Al一1 SAg一0.Zsc合金中,微量抗除了以A13sc的这一主要形式存在于合金中外,还有少量 的抗偏聚于GP区/Q与丫’/Q的界面上。含抗Al一1 SAg合金中丫‘相长大过程比较缓慢 的微观机理是微量抗的添加影响了合金中Y’相宽面上的台阶分布。 含微量银的Al一4.OMg一1.SCu一(Li)合金时效特性与微观组织研究结果表明,在 Al一OMg一1 .scu一0.4Ag一0.12zr合金中少量添加Li,可以加速合金的时效进程,但并不 能使其时效硬化和强化效果逐步增强,只有当铿含量达到2 .OWt%时,才表现出显著的时 效硬化和强化效果;Z相能在含微量银的Al一4.OMg一1.SCu一0.4Ag一0.12Zr合金中均匀弥散 地析出,从而使合金得到时效硬化和强化,且Z相不易粗化,合金过时效过程较缓慢。 合金Al一4.oMg一1.scu一 2.OLi一0.4Ag一0.12Zr具有较好的综合力学性能,特别是具有较高 的比强度和比屈服强度,其强化的主要原因是Z相、6’相及‘(Al 3Li/A13Zr)复合相等 相的弥散析出。 微量抗对Al一4.oMg一1.scu一1.OLi一0.12Zr合金的时效特


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