铝合金细化剂细化行为研究现状与展望

晶粒细化处理能够显著改善铝合金的综合性能,对拓展其应用领域意义重大。本文基于异质形核,探讨了点阵错配模型、边边匹配模型以及自由生长模型,肯定了边边匹配模型在筛选潜在晶粒细化剂方面的高效性;根据自由生长模型关于异质相尺寸、形态、分布等对晶粒细化效果影响的理论研究,归纳了物理、化学方法调控第二相进而优化细化效果的研究进展,并且对第二相尺寸影响细化效果的原因进行了理论阐述,最后对优化晶粒细化剂的方向做了展望。

铒/钪-锆微量添加对Al-5Mg-3Zn合金热轧态组织和性能的影响

向Al-5Mg-3Zn合金中分别复合添加了锆(0.1%,质量分数,下同)和铒(0.2%)、锆(0.1%)和钪(0.2%),并进行热轧,研究了铒-锆、钪-锆微量添加对合金显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明:复合添加锆-铒或锆-钪元素能使合金热轧后保留更多变形组织,抑制合金的动态再结晶,且锆-钪元素的抑制作用强于锆-铒;热轧态Al-5Mg-3Zn合金晶内出现少量尺寸较大的T相,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr、Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶内除了T相,还分别存在Al3(Er,Zr)相和Al3(Sc,Zr)相,3种试验合金晶界处均无析出相和沉淀析出带;相比热轧态Al-5Mg-3Zn合金,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金抗拉强度、屈服强度分别提升了9.3%,34.3%,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金分别提升了24.8%,35.6%;3种热轧态试验合金均保持良好的耐腐蚀性,热轧态Al-5Mg-3Zn合金的耐腐蚀性能更优。

AlSc15中间合金中Al_(3)Sc金属间化合物的电化学行为及对局部腐蚀的影响

将过共晶AlSc15合金加热至液态,以10℃/h速率冷却得到毫米级尺寸的Al_(3)Sc金属间化合物。利用微区电化学和扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)研究了Al_(3)Sc金属间化合物在不同pH值的0.1 mol/L NaCl溶液中的电化学特征及对局部腐蚀敏感性的影响。结果表明,Al_(3)Sc金属间化合物存在自钝化现象,且在碱性环境中有明显的维钝区域;随着pH值的增加,Al_(3)Sc腐蚀电位逐渐降低,在中性和碱性条件下的腐蚀速率明显低于酸性条件下的;Al_(3)Sc金属间化合物与周围铝基体之间的伏打电位差约为40 mV,在铝合金中可能作为较弱的局部阴极,对电偶腐蚀的影响不大。

Si对Al-Er合金时效行为及析出相微观结构的影响

通过显微硬度计、电导率测量仪和透射电镜等研究了添加不同含量的Si对Al-Er合金在不同温度下的时效行为及析出相微观结构的影响。结果表明:Si含量在0.15%和0.25%时,合金时效过程中无明显时效强化现象,Si含量为0.50%时合金时效强化效果最佳,275℃等温时效72 h时达到硬度峰值(约为40.3 HV0.1),随后迅速下降出现过时效。在时效过程中,从Al-0.04Er-0.50Si合金基体中脱溶出的溶质原子最多,形成更多析出相,提高了合金的硬度,电导率增幅达4.0%IACS。Al-0.04Er-0.50Si合金经过等温时效处理后析出相数密度大大提高,并且析出相结构不再是Al-Er合金中L1_(2)结构的Al_(3)Er相而是转变为PuAl_(3)(HT)型结构的ErAl_(2.8)Si_(0.2)(τ1)相。

镀层在冲击条件下的失效分析

采用自行研制的冲击试验机对镀层在冲击载荷作用下的失效进行了研究。结果表明 ,由于镀层本身韧性和膜基结合强度的差别 ,镀层的失效表现为两种不同的剥落形式。韧性较低而结合强度较高时为内聚力型剥落 。

应变率对Ag/Co多层膜硬度的影响及塑性变形不稳定性研究

周期结构对多层膜硬度和弹性模量的影响已有比较深入的研究,而对多层膜塑性变形特征和机理的研究还少有报道.本文采用直流磁控溅射制备了周期Λ为10 nm,20 nm,40 nm,60 nm的Ag/Co多层膜,X射线衍射表明薄膜均为Ag(111)和Co(002)织构的多晶结构,且具有很好的周期性.采用纳米压入连续刚度法在四种加载应变速率(0.025 s-1,0.05 s-1,0.1 s-1,0.5 s-1)下分别测试了不同周期薄膜的硬度,结果表明硬度随应变速率的变大而增大,且随周期的变大硬度变化随应变速率的变化更加敏感.纳米压入的载荷-位移曲线出现明显的不连续突变,压痕形貌周围有明显的剪切带,表明塑性变形的过程是不稳定的.

铒微合金化铝合金的研究进展

微合金化是提高铝合金性能的重要途径,控制微量元素的种类和含量,充分发挥微量元素的作用是当前铝合金研究的主要方向之一。大量研究表明:廉价的Er能够起到有效的微合金化作用,Er元素在铝合金中可形成纳米级Al3Er强化相,并可通过与Zr复合作用形成Al3(ZrxEr1-x)复合相,比Al3Sc相具有更好的热稳定性,从而可以改善铝合金组织,大幅度提高铝合金的强度或塑性、明显抑制铝合金的再结晶以提高其耐热性,改善其综合性能。本文作者针对微合金化元素Er在铝合金中析出Al3Er相及Al3(ZrxEr1-x)复合相的过程及其对合金组织和性能的影响机理,以及Er微合金化在几类工业合金体系中的作用,介绍含铒铝合金的最新研究进展。

钛合金表面离子束增强沉积的Cr和CrMo合金膜层及其性能

利用多功能离子束增强沉积(IBED)设备, 在Ti6Al4V钛合金表面制备Cr和CrMo合金膜层, 以提高钛合金表面的耐磨性能。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、辉光放电光谱仪和显微硬度计分析和测试了 IBED膜层的结构、形态、成分分布、硬度和膜基结合强度的大小。利用球盘磨损试验机和电化学综合测试仪研究了IBED膜层的摩擦学性能和电化学腐蚀特性。结果表明, 利用IBED方法可以在难镀材料钛合金表面制备膜基结合强度高、结晶致密和晶粒尺寸达纳米级的高硬度Cr膜和CrMo合金膜层, 显著提高了钛合金表面的抗磨性能, 且膜层本身有很好的耐Cl-介质环境电化学腐蚀性能, 与钛合金基体之间有很好的接触腐蚀相容性。

含Er 5083合金均匀化退火过程中Al_3Er相的TEM观察

对半连续铸造的Al-4.6Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.3Er(5083)合金均匀化退火过程中析出的Al_3Er相的显微组织进行了透射电镜观察.结果表明,铸锭的均匀化退火过程中,合金中析出了大量的不同形状、尺寸的沉淀物,其中尺寸在10-50 nm之间的球形析出物为Al_3Er相,它与基体保持共格/半共格关系.计算分析得出Al_3Er粒子共格/半共格转换半径为r_t=9.44 nm,与实验结果相近.

Al-Er合金中Al_3Er相的形成及演化

采用金属型水冷模铸造制备了不同含铒量的Al-Er二元合金,通过对铸态及均匀化处理后实验合金的金相观察、电子探针(EPMA)以及透射电镜分析,研究了对不同含量的Er在Al-Er合金中的存在形式及固溶Er在纯铝中的固溶度。结果表明,在本实验条件下铒元素以过饱和固溶体形式存在于α-Al中和以Al3Er化合物的形式分布在晶界上,另外Er在铝基体的最大固溶度为0.1%(质量分数)。

纳米压痕法测试压痕蠕变的应用研究

阐述压痕蠕变的研究进展及其测试原理,并且采用纳米压痕仪对Ta,N i和N i基高温合金三种金属体材料、BaTiO3陶瓷和Ag/Co多层薄膜进行蠕变实验,分析蠕变应力指数和相应的蠕变机制。

冷变形及退火对5E06铝板晶间腐蚀性能的影响

采用晶间腐蚀性能测试及透射电镜研究冷变形及退火对5E06铝板晶间腐蚀性能的影响规律。结果发现：5E06铝板的晶间腐蚀性能与β相的分布、形貌和析出量密切相关。当冷变形量低于40%时，β相较易在晶界析出达到连续而使合金晶间腐蚀性能恶化；当变形量增加到55%以上时，经稳定化退火后β相在晶界不容易连续，5E06铝板晶间腐蚀性能良好。进一步的敏化试验表明，经55%~80%冷变形的5E06铝板在120℃稳定化退火的效果并不理想，而220℃的稳定化退火由于获得了比较均匀的亚晶组织且β相在晶界/亚晶界断续分布并一定程度上降低基体中镁原子的过饱和度，可使稳定化退火态5E06铝板在长期使用过程中晶间腐蚀性能不发生明显退化。

含铒铝合金研究进展

铝合金性能向高比强、高比模、高损伤容限、耐热和耐蚀等方向发展,微合金化是提高铝合金性能的重要手段,大量研究工作表明,铝合金中添加廉价元素铒(Er)能够起到有效的微合金化作用。对Al-Er析出相的结构、析出规律进行了总结,并对Er元素在几类工业铝合金、铸造铝合金和3D打印铝合金中的作用进行了综述。微合金化元素Er在铝合金中可形成纳米级Al_(3) Er强化相,在相同原子含量的情况下,Al_(3) Er的弥散强化效应比Al_(3) Sc更显著。Er元素的加入及Al_(3) Er相的析出可明显细化铝合金的组织,提高铝合金的再结晶温度,促进主强化相的析出,最终大幅度提高铝合金的强度或塑性。Er元素还可以与Zr等元素形成高稳定性Al_(3)(ErZr)等复合强化相,通过其对位错亚结构、晶粒形态调控等多层次作用机理,有效地提高铝合金耐热性能、耐腐蚀性能,以及3D打印成形裂纹抑制等综合性能。目前,微合金化元素Er及其复合微合金化作用已经成功应用在Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn-Mg系变形铝合金以及铸造铝合金、3D打印铝合金中,成为提高铝合金综合性能的一种重要方法。

Al_3Er相在Al-Er合金中的存在形式

采用金属型水冷模铸造制备了不同Er含量的Al-Er二元合金,通过对铸态及均匀化处理后的Al-Er合金的金相观察、电子探针以及透射电镜分析,研究了对不同含量的Er在Al-Er合金中的存在形式及固溶Er在纯铝中的固溶度。结果表明,在本试验条件下Er主要以过饱和固溶体形式以及以Al3Er化合物的形式分布在晶界上,另外Er在铝基体的最大固溶度为w(Er)=0.1%。

铒在纯铝中固溶度的研究

采用金属型水冷模铸造制备了不同含铒量的Al-Er二元合金,通过对均匀化处理实验合金的电导率和显微组织的分析,研究了Er在纯铝中的固溶度。结果表明,在本实验条件下铒元素在铝基体的最大固溶度为0.1%(wt%)。合金均匀化处理过程中析出相为Al3Er相。同时,含铒过饱和固溶体的分解析出导致基体固溶度的贫化,由于固溶度的降低减小了合金对电子的散射,使得合金的电导率升高。

高强度高导电率Al-Er-Cu合金的双级退火工艺研究

本文对比研究了冷轧态Al-Er-Cu合金单级和双级退火过程中硬度与电导率变化规律,发现由于Er和Cu的析出温度区间不同,单级退火处理无法在该体系中得到高强度高导电率的导体材料。Al0.04Er0.4Cu合金虽然在150℃和200℃退火后硬度下降不明显,但是其所能达到的最高电导率较低;在300℃长时间退火后,最高的电导率可以达到61%IACS,但是硬度显著下降。300℃/2 h+200℃/20 h双级退火后Al0.04Er0.4Cu合金的电导率为62.3%IACS,高于单级退火所能得到的最高电导率约2%IACS;300℃/2 h+200℃/20 h双级退火后硬度为70.5 HV,与冷轧态硬度相比仅下降1.5 HV。这说明300℃/2 h+200℃/20 h双级退火是合适的工艺,能够获得高强度高导电率的Al-Er-Cu合金导体材料。

Al-Er-Zr合金的时效析出过程

利用显微硬度、TEM、HREM等测试方法对Al-Er-Zr合金的时效析出过程及析出相Al3(Er1-xZrx)的粗化行为进行研究。结果表明:二元合金Al-0.04Er在375℃时效5 min后出现硬度峰(约为40.3HV),随后迅速下降出现过时效;添加Zr能够显著提高其热稳定性,三元Al-Er-Zr合金中过时效现象显著滞后于Al-Er二元合金。在三元合金Al-Er-Zr中,随着Zr含量的增加,合金在长时间时效后,由于Er、Zr的协同析出而出现第二个更高的时效峰值,约为53.5HV,明显高于Al-Er二元合金的硬度。Al3(Er1-xZrx)粒子在高温粗化过程中逐渐长大,其平均直径d与退火时间t的关系符合LSW理论中的关系式。

含Er中高Mg含量铝合金热轧板材腐蚀性能及微观结构的研究

通过浸泡试验以及动电位循环极化曲线,测定了掺杂微量稀土Er的中高镁含量铝合金5083和5A06热轧态以及350℃1h退火态的耐剥落和耐晶间腐蚀性能及电化学性能,运用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS),对合金不同状态下的腐蚀形貌以及微观组织进行了表征,同时结合透射电子显微镜(TEM)及能谱分析等方法对合金的微观结构进行了分析。结果表明,两种成分合金的耐腐蚀性能均良好,在3.5%NaCl溶液中腐蚀电流密度处于μA/cm^2级别,微量Er没有显著影响合金的耐蚀性能,主合金元素Mg含量和存在形式为主要腐蚀影响因素,热处理工艺也是影响合金耐蚀性能的因素之一。

退火工艺对冷轧Al-Er-Cu合金电导率和硬度的影响

采用硬度和电导率等测试,结合透射电镜微观组织观察,研究了退火工艺对Al-Er-Cu合金电导率和硬度的影响。结果表明:冷轧后等时退火到200~300℃之间,或者200℃等温退火24 h到48 h之间,Al-Er-Cu合金同时具有较高的硬度和电导率。Al-Er-Cu合金冷轧后退火过程中Al_3Er相的析出提高了合金轧态组织的热稳定性,使其硬度能够在退火过程中减少下降;而Al_2Cu相的析出使合金的电导率显著升高。

织构对含铒铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响

对含铒铝合金板材进行不同工艺的轧制及热处理,得到了具有不同织构的铝合金板材,再通过中心裂纹板材的高周疲劳试验,研究了织构对合金疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:合金板材中织构的含量与板材轧制变形量及退火温度有关;板材中疲劳裂纹总是倾向于沿Schmid因子较大的方向扩展;板材中织构越多,则晶粒间取向差角越小,疲劳裂纹偏折越小,裂纹扩展路径越短,疲劳裂纹扩展速率越快;板材中织构越少,晶粒间取向差角越大,疲劳裂纹偏折越厉害,裂纹扩展路径越长,疲劳裂纹扩展速率降低。