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。

激光粉末床融合铝合金微合金化研究进展

针对传统铝合金在激光粉末床融合技术(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)中的高裂纹敏感性,总结了近年来通过微合金化方法改善LPBF铝合金成型性及力学性能的研究进展。综述了微合金元素在成型过程中的作用机理,重点讨论了Er、Zr元素对微观组织的调控即晶粒细化,总结了LPBF微合金化铝合金的成型工艺研究,分析了微合金改性后热处理工艺诱导第二相弥散析出及对应力学性能的研究。对未来LPBF铝合金微合金化研究提出展望,开发新的微合金改性铝合金并探索适合工业生产的热处理工艺,获得低成本、高强度的LPBF铝合金。

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。

工业7N01合金的显微组织、力学性能及腐蚀性能

通过透射电子显微镜(TEM)和配备电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)研究晶粒形貌和析出相对两种工业7N01合金的力学性能和腐蚀行为的影响。7N01-I合金外表面再结晶度低于7N01-II合金。两种合金的强化相均为η’相。7N01-I合金的晶界析出相(GBPs)断续分布,而7N01-II合金的晶界析出相连续分布。两种合金的强度接近,但7N01-I合金的最大腐蚀深度小于7N01-II合金,这是因为7N01-I合金外表面的低再结晶度和断续的GBPs有利于提高耐蚀性。讨论不同的强化机制,并分析显微组织与腐蚀行为的相关性。

退火处理对含铒Al-Mg-Zn合金组织和性能的影响

使用硬度测量、室温拉伸、光学显微镜(OM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)等测试方法,对不同退火处理的Al-6.0Mg-1.0Zn-0.8Mn-0.2Cu-0.2Er-0.1Zr热轧板的室温拉伸性能、晶间腐蚀性能和合金的宏微观组织进行了系统研究。结果表明:合金板材的稳定化工艺窗口为230℃/18 h,240℃/6 h,250~270℃/2 h;在250℃/2 h退火后,合金板材的屈服强度为263 MPa,失重值为6.732 mg/cm^(2)。结合力学性能和腐蚀性能,优选250℃/2 h为热轧板的最佳稳定化工艺。通过选区电子衍射和能谱图分析,发现晶界与晶内的析出相均为T-Mg_(32)(AlZn)_(49)相。经过250℃/2 h退火后,晶内T相逐渐长大回溶,形貌由方块状转变为短棒状。而T相在晶界处呈断续分布,且间距变大,所以呈现良好的耐蚀性。

预拉伸对喷射成形2195铝锂合金时效后组织和力学性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和拉伸试验等研究了喷射成形2195铝锂合金经不同工艺热处理后的显微组织和力学性能。结果表明:与未经预拉伸处理的合金相比,合金经4%预拉伸及时效处理后,析出相发生明显变化,时效强化析出相主要为T1(Al_(2)CuLi)、θ′(Al_(2)Cu)和δ′(Al_(3)Li),并呈细小弥散分布,σ(Al_(5)Cu_(6)Mg_(2))相未析出;合金的力学性能在经4%预拉伸及175℃时效24 h后达到最佳,其抗拉强度为584 MPa,屈服强度为562 MPa,伸长率为8%。这主要是因为在时效前进行预拉伸变形,一方面产生了加工硬化,使后续的沉淀强化得以在较高的强度起点进行;另一方面预拉伸引入了大量位错,为T1相形核提供了优越的位置,促进T1相弥散均匀析出,从而显著提高合金的时效强度。

Al-4.6Mg-0.5Mn-0.12Zr-0.23Er合金均匀化退火工艺研究

通过光学显微镜、扫描电镜与能谱分析透射电镜等手段,研究了不同均匀化退火工艺对Al-4.6Mg-0.5Mn-0.12Zr-0.23Er合金组织的影响。研究结果表明:添加Er后,合金在280℃较低温度下退火能析出大量球状的Al_(3)Er析出相,且析出相长大速度很慢;在470℃长时间加热条件下,弥散粒子不会粗化,具有较高的热稳定性;合金在双级均匀化退火过程中析出纳米级Al_(3)Er粒子,还有少量Al_(6)Mn相粒子,均匀化退火后第二相减少。从第二相的溶解、元素分布以及粒子析出特性综合考虑,试验合金的最佳双级均匀化退火工艺为280℃8 h+470℃16 h。

铁中硅元素对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响

使用SEM,EBSD研究(480~640)℃1h退火后,铁中添加不同的硅含量(u(Si)=0.82%,1.48%,3.26%)对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响。结果表明:(480~640)℃1 h退火后,未添加硅的铝/铁复合板在界面处均生成连续金属间化合物,随着退火温度升高,金属间化合物厚度增大,当退火温度超过620℃时,界面金属间化合物形貌由较为平直转变为舌状突起;640℃1 h退火后,界面金属间化合物厚度随铁中硅元素含量的增加呈指数型减小,未添加硅的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度在35 μm以上,而铁中添加ω(Si)=3.26%的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度为20 um左右;铝/铁复合板界面金属间化合物主要为Fe_(2)Al_(5),少量的Fe_(4)Al_(13)分布在靠近铝侧和分散在Fe_(2)Al_(5)中;铁中添加ω(Si)=1.48%时,界面金属间化合物同样包括Fe_(2)Al_(5)及少量的Fe4Al13,其分布与不加硅的铝/铁复合板的类似,只是其界面还生成了含硅的Fe_(3)Al_(2)Si_(3)和FeAl_(2)Si相,他们弥散分布于靠近铁侧的Fe_(2)Al_(5)中。

含铒5E83合金热轧板稳定化工艺研究

研究了含铒5E83合金热轧板不同退火态敏化前后的力学性能及腐蚀性能,采用OM、EBSD及TEM对典型退火态合金的微观组织进行分析。结果表明:热轧板经100℃退火168 h敏化处理后对晶间腐蚀敏感,热轧板具有较差的耐长期腐蚀性。经退火后,含铒5E83合金热轧板力学性能下降,敏化前后的腐蚀性能均随退火时间延长而改善,综合考虑力学性能及腐蚀性能,优化出稳定化工艺为260℃退火16 h。经260℃/16 h退火后,热轧板敏化前后失重均低于15 mg/cm,即具有良好的耐长期晶间腐蚀性能。经260℃退火16 h敏化后,热轧板透射组织中的晶界处未发现有连续的β相(AlMg)析出。因此,热轧板经260℃退火16 h后,具有良好的耐长期晶间腐蚀性能。

Er、Zr及热处理对高锌铝合金组织和力学性能的影响

以Al-30Zn-3Cu-2.5Si高锌铝基合金为研究对象,探究稀土元素Er、Zr对铸态及热处理态合金组织和力学性能的影响,并分析和探讨了其作用机理。结果表明,当添加0.10%(质量分数,下同)Er和0.10%Zr元素后能够明显地细化合金晶粒,平均晶粒尺寸由74.28μm减小至60.01μm,且α-Al晶粒转变为细小的等轴晶。稀土元素Er、Zr的添加会在合金内部形成Al3(Er,Zr)细小的粒子并能够起到钉扎位错的作用,从而提高合金的力学性能。添加Er、Zr后,铸态合金的抗拉强度由未添加稀土元素的323.01 MPa提高到了358.29 MPa,提升了10.93%;屈服强度由309.33 MPa提高到了315.00MPa,提升了1.83%;延伸率基本未发生变化。合金经固溶时效热处理强化后,添加稀土元素合金的抗拉强度为449.48 MPa,屈服强度为408.51 MPa,比铸态合金分别提高了25.45%、29.68%。粗大的第二相存在于晶界处,导致合金的延伸率仍较差。

激光粉末床融合含铒铝合金研究进展

近年来增材制造铝合金技术得到迅速发展,尤其是激光粉末床融合技术(LPBF)在部分构件上实现了应用验证。在LPBF技术中,常通过添加微量元素,如稀土铒(Er)元素等,来改善合金的成形性和力学性能。本研究从Er在铝合金中的作用机理出发,系统性概述Er元素在LPBF特殊热环境中的演变机制以及时效响应。总结在LPBF工艺下,Er元素在Al-Si、Al-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金中的存在形式和应用,对比不同含铒铝合金的力学性能,并对LPBF含铒铝合金的发展进行了展望。

6070铝合金的均匀化热处理

通过OM、SEM、EDS、DSC和电导率等测试方法,研究了6070合金的均匀化热处理工艺及微观组织演变。结果表明,6070合金铸态组织中,大量非平衡凝固产生的一次相Mg2Si沿晶界聚集分布,圆盘状Q相分布于晶内。合金经535℃×12 h均匀化处理后,铸态一次相基本回溶,均匀化效果较好。均匀化后合金元素主要以细小弥散相形式在铝基体中析出,导致合金导电率升高。550℃为合金起始过烧温度,合金组织中开始出现近似三角形的复熔相和晶界复熔变宽的过烧特征,随着均匀化温度的升高和时间延长,合金过烧加重,导电率下降,晶粒和含Mn弥散相尺寸变大,同时形成粗大过烧相Q相。

综合提升Al-Zn-Mg-Er-Zr合金强度和耐蚀性的双级时效研究

本研究以Al-Zn-Mg-Er-Zr合金为研究对象,测试获得合金在不同时效工艺下硬度、电导率、力学性能、剥落腐蚀性能的变化规律,同时使用EBSD、XRD、SEM及TEM等组织与成分表征手段对其微观组织进行分析,阐明合金最佳综合性能与其组织模式的关系。结果表明:最优的双级时效工艺为90℃/12 h+145℃/18 h;此工艺下的屈服强度为388 MPa,延伸率为14.0%,剥落腐蚀评级为PB,此时合金主要强化相(GP区和η′亚稳相)在晶内大量弥散析出,晶界处的η相呈断续分布。对比该合金T6(120℃/24 h)单级时效处理态性能:屈服强度为328 MPa,延伸率为17.75%,剥落腐蚀评级为EC,双级时效后合金综合性能得到显著提升。

Er、Zr微合金化5083铝合金的超塑性

针对5E83合金(Er、Zr微合金化5083合金),采用超塑性拉伸试验、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM),探究了Er、Zr微合金元素、晶粒尺寸、变形温度、应变速率对合金超塑性的影响。通过再结晶退火、空冷和水冷的搅拌摩擦加工(FSP),分别获得了晶粒尺寸为7.4、5.2、3.4μm的完全再结晶组织,作为初始状态进行超塑性拉伸。结果表明,初始晶粒尺寸越细小,超塑性伸长率越高。当晶粒尺寸>5μm时,超塑性变形过程晶粒粗化缓慢,细化初始晶粒可显著提高超塑性;而当晶粒尺寸<5μm时,超塑性变形过程晶粒粗化严重,进一步细化初始晶粒对超塑性的提高有限。不同变形温度、应变速率的超塑性拉伸结果显示在变形温度为450~540℃、应变速率为1.67×10^(-4)~1.67×10^(-1)s^(-1),超塑性伸长率随变形温度和应变速率的提高呈现先上升后下降再上升的趋势;变形温度为520℃、应变速率为1.67×10^(-3)s^(-1)条件下,水冷FSP态合金获得最大伸长率330%,对应的超塑性变形机理主要是晶界滑移。相比于5083合金,Er、Zr的添加显著提高了超塑性,这主要是由于Er、Zr在Al基体中形成了纳米级弥散的Al3(Er, Zr)相,在超塑性拉伸时能够钉扎晶界,阻碍晶界迁移,在晶粒尺寸>5μm时,有效地抑制了晶粒长大,从而提高了超塑性。

Er、Zr微合金化对Al-Zn-Mg合金组织及性能的影响

研究了Er、Zr元素的添加对Al-Zn-Mg合金的微观组织、力学性能和腐蚀性能的影响。结果表明,Er、Zr元素的复合添加可以使合金的硬度、强度以及抗腐蚀性能有明显提高。Er、Zr元素的添加形成了弥散分布的纳米级Al3(Er, Zr)析出相,阻碍位错运动和晶界迁移,使合金的强度得到明显提高。另外,Er元素的添加使合金的晶粒细化,既提高了强度也保证了一定的伸长率,还使合金具有良好的抗剥落腐蚀性能。

Yb微合金化Al-2.4Cu-1.3Li合金的均匀化退火工艺及微观组织演变

通过SEM、EDS、DSC、XRD等测试手段研究了Al-2.4Cu-1.3Li-(Yb)合金铸态及均匀化过程中组织及微观结构演变。SEM观察显示,铸态组织中存在明显的枝晶偏析,枝晶间距为45±6μm(Al-Cu-Li合金)与43±7μm(Al-Cu-Li-Yb合金),一次相形貌为块状或条状,面积占比为2.8%(Al-Cu-Li合金)与2.2%(Al-Cu-Li-Yb合金),EDS和XRD结果显示其主要成分为多种AlCu(Li)相,Al-Cu-Li-Yb合金中还存在少量Al_(8)Cu_(4)Yb相。根据DSC测试与均匀化动力学计算,制定均匀化退火工艺为500℃×12 h。SEM观察显示退火后样品枝晶偏析已经消除,残留一次相为聚集球状AlCuFe相和/或骨骼状Al_(8)Cu_(4)Yb相,面积占比下降到0.93%(Al-Cu-Li合金)和0.76%(Al-Cu-Li-Yb合金)。为了使Yb进一步回溶,针对Al-Cu-Li-Yb合金制定二级均匀化工艺为500℃×12 h+530℃×12 h,残留一次相面积占比下降到0.53%,形貌与一级均匀化后相同。

Er对多向锻造7050铝合金组织性能的影响

以7050铝合金及含Er7050铝合金(7E50)为研究对象,对两种铝合金自由锻件进行固溶、时效处理后,采用SEM、TEM与室温拉伸等测试手段研究铝合金锻件固溶及时效处理过程中组织和力学性能的演变规律。结果表明,两种合金经470℃×1 h固溶后,7050铝合金再结晶组织占比69.45%,而7E50合金再结晶占比仅为62.08%,Er元素的加入可以抑制合金的再结晶行为。最佳的单级时效工艺为120℃×24 h,经单级峰时效处理后7E50合金的强度、硬度、伸长率均高于7050合金,由此可见Er元素的加入可以有效提升合金的力学性能。7E50铝合金峰时效态下的析出相主要是η′相、GP区和Al3(Er,Zr)颗粒。两种合金晶界上析出相都呈链状连续分布,但7E50铝合金晶界析出相尺寸明显小于不含Er的7050合金,这可能是7E50合金伸长率高于7050合金伸长率的原因之一。

Er对Al-Zn-Mg合金微观组织与摩擦性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)和材料表面综合测试仪研究了Er对Al-Zn-Mg合金微观组织和力学性能的影响,并研究其在不同载荷下的摩擦磨损行为。结果表明,添加Er后合金伸长率提高约30%,晶粒尺寸明显细化,平均晶粒尺寸减小约68%。合金在摩擦过程中经历了摩擦副磨合和稳定磨损两个阶段,随着载荷的增大,摩擦因数曲线波动增大。O在摩擦层大量富集,证明了氧化磨损机制的存在。加载载荷为30 N时为磨粒磨损、疲劳磨损以及粘着磨损混合作用机制;加载载荷为70 N时磨粒磨损加剧并伴随疲劳磨损,且添加Er可以降低合金表面的剥落趋势,从而减少磨损。