Synergistic effect of gradient Zn content and multiscale particles on the mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloys with coupling distribution of coarse-fine grains

This study investigated the influence of graded Zn content on the evolution of precipitated and iron-rich phases and grain struc-ture of the alloys,designed and developed the Al–8.0Zn–1.5Mg–1.5Cu–0.2Fe(wt%)alloy with high strength and formability.With the increase of Zn content,forming the coupling distribution of multiscale precipitates and iron-rich phases with a reasonable matching ratio and dispersion distribution characteristics is easy.This phenomenon induces the formation of cell-like structures with alternate distribu-tion of coarse and fine grains,and the average plasticity–strain ratio(characterizing the formability)of the pre-aged alloy with a high strength is up to 0.708.Results reveal the evolution and influence mechanisms of multiscale second-phase particles and the corresponding high formability mechanism of the alloys.The developed coupling control process exhibits considerable potential,revealing remarkable improvements in the room temperature formability of high-strength Al–Zn–Mg–Cu alloys.

高强Al-Zn-Mg-Cu合金静态再结晶模型及组织演变

采用Gleeble 3800热模拟试验机对航空用Al-Zn-Mg-Cu合金的热变形行为进行了测试,对变形后的微观组织进行了表征,系统分析了静态软化行为,建立了静态再结晶动力学模型。结果表明:实验用航空Al-Zn-Mg-Cu合金的静态再结晶激活能为129162 J·mol^(-1),静态再结晶体积分数受变形温度、变形程度、变形速率的影响,且变形温度对静态再结晶影响最明显;变形速率一定时,变形温度越高,道次停留时间的影响越不明显;350℃低温变形后,α-Al基体晶粒内部仍存在大量的位错缠结;400℃中温变形后,位错运动能够充分进行,部分晶粒发生了再结晶;450℃高温变形后,基体晶粒基本全部完成了再结晶,基体晶粒内部发现5~25 nm尺寸范围的Al-Zn-Mg-Cu四元相粒子;对于不同热变形条件,模型预测值的误差在0.008~0.0625范围内,动力学模型的计算结果精确度较高。

T6态热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金的低周疲劳行为

为了揭示经过T6处理的热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金在不同温度下的低周疲劳变形与断裂行为,对T6态热挤压合金进行了室温和200℃条件下的低周疲劳实验。结果表明:在室温和200℃下合金塑性应变幅与载荷反向周次之间服从Coffin-Manson公式,而弹性应变幅与载荷反向周次之间服从Basquin公式;合金在室温和200℃下低周疲劳变形时,在较低外加总应变幅下疲劳变形机制主要为平面滑移,而在较高外加总应变幅下疲劳变形机制主要为波状滑移;室温和200℃下合金的疲劳裂纹均萌生于疲劳试样表面并以穿晶方式扩展。

Mn微合金化Al-Si-Cu-Mg合金显微组织及耐蚀性能研究

Al-Si-Cu-Mg系列合金具有优异的强韧性,但其中的含Cu强化相极大地影响了该系合金的耐蚀性能。因此,本文通过对不同Mn含量的Al-7Si-2Cu-0.6Mg合金进行显微组织观察和电化学分析,探究Mn元素的添加对T6热处理状态下合金微观结构和耐蚀性的影响。结果表明,Mn添加量的提高对合金显微硬度几乎没有影响,但在合金基体中可以观察到弥散相。随着Mn含量升高,合金的耐蚀性呈现先升高后降低的趋势。添加0.360%Mn(质量分数)合金具有最佳耐蚀性,腐蚀电流密度比基础合金减少了54%。腐蚀形貌观察结果表明,Mn的添加可以显著减弱合金的点蚀趋势。

PF-LBM耦合模型下Al-Cu合金的枝晶生长和气泡形成

基于Shan-Chen多相流的格子玻尔兹曼方法模拟复杂多相流系统,探索气泡在液相中的生长和运动.研究了Al-4.0wt.%Cu合金在凝固过程中枝晶与气泡的相互作用,各向异性对凝固组织的影响以及枝晶与气泡共存时溶液密度的变化情况.结果表明:在定向凝固枝晶生长模型中,气泡先在枝晶底部析出,压差导致气泡上升,流动的过程中会与枝晶产生相互作用且会出现气泡合并与消失的情况,在枝晶间密集通道处大气泡会变成蠕虫形状.模拟区域的高长比会影响枝晶和气泡的生长情况,当高长比较小时更容易产生短而小的气泡,高长比较大时更容易产生蠕虫状气泡.在等轴枝晶生长模型中,气泡在枝晶间析出,随着枝晶的生长,气泡同样会发生合并与消失的情况,并且在受到挤压时发生形变.

热挤压对快速凝固Al-Si-Fe-Cu-Mg合金显微组织及性能的影响

采用单辊旋淬法制备了快速凝固Al-20Si-5Fe-Cu-Mg合金,采用了SEM对其进行观察分析。结果表明,快速凝固能够极大细化Al-20Si-5Fe-Cu-Mg合金组织,抑制Si相及β-Fe相的析出长大,且组织的细化程度呈梯度分布。对快速凝固Al-20Si-5Fe-Cu-Mg合金进行了不同工艺参数的热挤压实验。结果表明,粉末包套热挤压工艺能够使快速凝固Al-20Si-5Fe-Cu-Mg带材合金致密化,当挤压温度为400℃、挤压比为1∶16时,合金获得了较优异的力学性能,其屈服强度和抗拉强度分别达到了456 MPa和805 MPa,压缩率为9.3%。

热暴露对Al-Cu-Li合金的组织及性能影响

Al-Cu-Li合金作为航空航天工业中一种前景广阔的结构材料,其热稳定性在实际应用中发挥着重要作用。本研究对T85态的Al-Cu-Li合金在一系列温度(100~300℃)下进行了500 h的暴露处理,并通过维氏硬度、电导率和拉伸测试对其性能进行了评估。结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了不同热暴露温度下的微观结构演变。结果表明,热暴温度低于150℃时,合金具有良好的热稳定性,这与T1(Al_(2)CuLi)相的直径和数密度不断增加相关。当热暴露温度介于150~200℃时,T1相逐渐被粗大的θ’-Al_(2)Cu和S-Al_(2)CuMg取代;同时,断续的晶界析出物(GBPs)和宽的无析出区(PFZs)利于沿晶断裂,使合金呈现出沿晶-穿晶混合断裂,导致硬度和强度的降低和延伸率的增加。热暴露温度高于250℃时,T1相全部溶解,形成了粗大的T2(Al_(6)Cu(Li, Mg)_(3))和C相,从而导致合金的强度下降,但延伸率和电导率却表现出相反的趋势。

Cu含量对Al-1Mg-0.6Si-xCu合金板材韧性及弯曲性能的影响

采用室温拉伸、Kahn撕裂以及弯曲实验,结合数字图像分析法和扫描透射电镜等手段,探究了Cu含量对Al-1Mg-0.6Si-xCu合金板材韧性及弯曲性能的影响。结果表明:随着Cu含量的增加,合金的伸长率、均匀伸长率、均匀断裂能和单位面积裂纹形核功逐渐增加,合金的弯曲性能变好,均匀阶段韧性提升,而合金的失稳伸长率、失稳断裂能及单位面积裂纹扩展功下降,合金失稳阶段韧性变差。随着Cu含量的增加,Al-1Mg-0.6Si-xCu合金中强化相β″的密度增加,且在0.5-Cu合金中出现Q′相和L相,晶内析出相密度增加,使得合金在形变过程中消耗的能量增加;晶界析出相间距增加,从而提高合金的韧性及弯曲性能。

基于机器学习的Al-Zn-Mg-Cu合金快速设计

提出一种基于机器学习的合金快速设计系统(ARDS),以定制所需性能的合金制备策略或预测制备策略所对应的合金性能。为此,分别对3种回归算法:线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(BPNN)进行建模和比较以训练多性能预测模型。其中,应用SVR构建的机器学习模型被证明是最佳的。然后,基于生成对抗网络(GAN)模型原理,构建Al-Zn-Mg-Cu系铝合金快速设计系统(ARDS)。对ARDS的预测可靠性进行验证。结果表明,为了能够获得准确的制备策略,系统中极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(EL)的输入上限分别约为790 MPa、730 MPa和28%。此外,基于ARDS预测结果,制备了一种性能优异的新型铝合金材料,其UTS为764 MPa、YS为732 MPa、EL为10.1%,进一步验证了ARDS的可靠性。

Cu含量对Al-Cu-Li合金淬火敏感性的影响

采用薄板叠层末端淬火的方法,通过强度测试、连续冷却转变(CCT)和时间-温度-转化率(TTT)曲线计算及X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等微观组织表征方法,研究了Cu含量(3.15%、3.63%和3.88%)对Al-Cu-Li合金淬火敏感性的影响,结合理论分析,从析出驱动力和形核位点的角度分析了Cu含量影响淬火敏感性的机理。结果表明:随着Cu含量的增加,晶格畸变能增加,Li的溶解度降低,淬火态合金中位错和残留第二相增多,含Li相的析出驱动力和非均匀形核位点增加,淬火沉淀相增多;随着临界冷却速率的增大,鼻尖温度孕育期缩短,强度残存率减小,Al-Cu-Li合金淬火敏感性提高。T8态合金强度受Cu含量和淬火速率共同作用,淬火速率较高时,主要受Cu含量的影响;淬火速率较低时,Cu含量的影响减小。

激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金T型结构微观组织演变与熔池流动行为分析

在T型结构增材制造过程中,交叉节点处易出现冶金结合不良及重熔缺陷等问题,制约该结构性能的提升。采用激光-电弧复合增材制造技术制备了Al-Cu合金T型结构,对交叉节点处的组织形貌进行了表征,并通过数值模拟分析了节点处熔池内的温度分布以及流动特征。结果表明,在T型结构节点处能够观察到重熔作用所导致的弧形条纹特征,该区域的模拟形貌与实际结果具有良好的一致性;熔池边界处等温线分布较为密集,内部Marangoni对流导致逆时针涡流的形成,最高流速可达0.16 m/s。依据顶层晶粒形态差异,分为顶层节点重熔区(RZI)和顶层热影响区(HAZ)。其中RZI内主要为细小的树枝晶,平均晶粒尺寸相比于HAZ降低了20.8%,内部析出相主要为与α-Al基体呈非共格界面的大尺寸θ(Al_(2)Cu)相;平均显微硬度可达(98.4±6.4)HV_(0.1),相比于未重熔区最高提升约14.0%。

Al-20%Cu多晶粒竞争生长的原位观测及汇聚型枝晶淘汰模型构建

采用同步辐射成像技术研究Al-20%Cu(质量分数)亚共晶合金的晶粒竞争生长动力学,并建立与实验结果相一致的数学模型。结果表明,对于发散型竞争生长,遵循“正常淘汰”规则。对于汇聚型竞争生长,成分过冷的作用加速非择优取向晶粒中一次枝晶臂的生长速度,导致非择优取向枝晶出现“异常淘汰”现象,淘汰择优取向枝晶。探讨汇聚型竞争生长的“正常淘汰”与“异常淘汰”之间的临界条件,建立枝晶生长速率、枝晶臂间距和枝晶倾斜角之间的数学关系,又称“二次枝晶臂阻挡模型”,可以快速预测晶界位相和淘汰类型。

Mg、Si含量对Al-Cu-Mg-Ag-Si合金析出相的影响

研究了Mg、Si元素含量对Al-Cu-Mg-Ag-Si合金实际析出相种类及性能的影响。结果表明,Al-Cu-Mg-Ag-Si合金中高Mg含Si合金析出了大量S相和粗大的第二相;低Mg低Si合金中析出了常见的θ相和Ω相;低Mg含Si合金中出现了6系铝合金中常见的σ相和β″相等多种析出相,且具有非常细小弥散的θ相,为合金提供了良好的强化效果。Si和Mg的存在均极大地改变了合金的析出序列,无法通过增加Mg含量抵消Si的作用。Si的加入显著抑制了Ω相的析出,而大幅增加Mg含量则会促进S相的析出。

Al-Cu-Mn-Fe-Ag-Zr合金的微观组织与室温和高温性能研究

Al-Cu合金具有低密度、耐热性好和潜在的高温稳定性等优点,广泛应用于汽车和航空航天等领域。为提高Al-Cu基铸造合金的耐热性能,本文制备了质量分数为Al-4%Cu-0.5%Mn-0.1%Fe-0.4%Ag-0.3%Zr(简称AC)的合金。采用OM和SEM分析了合金的微观形貌及化学成分,采用XRD分析了合金的物相结构,采用EBSD研究了晶粒形态与尺寸分布,采用TEM分析了合金在时效处理后的微观组织和析出相形态,采用高低温拉伸试验机进行了室温和高温力学性能测试。结果表明,AC合金在铸造过程中形成的金属间化合物主要包括Al_2Cu和Al_7Cu_2Fe,其中,Al_2Cu相在固溶处理后溶入基体中,并在时效处理后重新沉淀为θ′相,成为主要的强化相。此外,经T6热处理后,合金中还包含着T_(Mn)(Al_(20)Cu_2Mn_3)相,Ag元素固溶于铝基体中,而Zr元素则使得合金析出L1_2-Al_3Zr纳米相,其与θ′相存在位向关系。测试了合金在室温和高温(200、300和400℃)下的拉伸性能,对应屈服强度可分别达236、155、129和61 MPa。

锌镁比对Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr合金显微组织与耐腐蚀性能影响的研究

通过调整Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr合金中的Mg元素含量,研究了Zn/Mg比的变化对合金相演变以及腐蚀性能的影响规律。结果表明:Al_(8)Cu_(4)Er相、Al_(3)(Er,Sc)相与含Fe相存在明显的伴生关系,二者依附于含Fe相生长。Zn/Mg比的变化可显著改变三者间的交互形式,高的Zn/Mg比例有利于稀土相独立生长,且在比值为4.18的条件下,Al_(8)Cu_(4)Er相与含Fe相均得到了显著细化。细化的晶界第二相使腐蚀坑深度仅为82μm,而连续的伴生混合相、粗大稀土相等均会不同程度降低合金的耐蚀性能。

Cu含量对电弧熔丝增材制造Al-Cu合金高温组织与性能的影响

为研究Cu含量对电弧熔丝增材制造Al-Cu合金堆积体高温组织与性能的影响,对Al-Cu合金堆积进行200℃保温30 min处理,通过金相、SEM、EDS及拉伸试验,分析其显微组织和力学性能。结果表明:高温下随Cu的质量分数由5%增至6.3%,Al-Cu合金堆积体晶粒尺寸无变化,未固溶θ相的数量增多、尺寸增大;晶粒内部平衡θ相的数量先增多后稳定变化;Al-Cu合金堆积体高温力学性能先升后降,Cu的质量分数为5.65%的Al-Cu合金堆积体具有最优的力学性能,抗拉强度为355 MPa,屈服强度为345 MPa,伸长率为6.5%。

热机械处理对Al-Cu-Mg合金显微组织和力学性能的调控机理

采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸力学性能测试以及疲劳裂纹扩展速率测试等手段探究热机械处理工艺对Al-Cu-Mg合金显微组织及宏观性能的影响。结果表明:热机械处理工艺可以使Al-Cu-Mg合金获得良好的强塑性配合,其中,采用25%变形量的固溶热轧+30%变形量的深冷非对称轧制(1.2异速比)+100℃、6 h的人工时效处理时,Al-Cu-Mg合金的伸长率可达10.1%;抗拉强度和屈服强度达到了517.2和448.3 MPa,分别比常规T6态的Al-Cu-Mg合金高74.8和98.6 MPa。热机械处理工艺使合金中出现大量位错缠结及细小S析出相,高强度的Goss织构和大量剪切织构通过影响疲劳裂纹的偏折提升合金的疲劳性能。

细化变质对免热处理压铸Al-Zn-Si-Cu合金组织及性能的影响

采用压铸成形工艺制备Al-Zn-Si-Cu合金,研究陶瓷纳米增强颗粒(TiC/TiB_(2))和Al-10Sr变质剂对免热处理压铸Al-Zn-Si-Cu合金力学性能、导热/电性能、显微组织的细化变质效果。结果表明,单独添加0.5%陶瓷纳米颗粒后,与未添加细化剂的合金相比,α-Al相得到明显细化,呈近蔷薇状,纤维状共晶Si相更加致密,短棒状Al_(2)Cu相更加细小,且Zn、Si、Cu元素在基体中含量增加,此时力学性能得到提升,导热/电性能略有下降,主要是由于溶质元素的增加导致晶格发生畸变程度变大,增大电子散射能力的同时减小电子的平均自由程,使得金属的导热和导电能力下降;经0.5%陶瓷纳米颗粒和0.1%Al-10Sr中间合金共同作用后,共晶Si相棱角钝化,基体中溶质元素含量进一步增加,此时合金力学性能达到最佳,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为361 MPa,213 MPa和6.8%,热导率为118.73 W/(m·K)。

快速凝固Al-4Cu-xLi-X合金的显微组织和力学性能

采用快速凝固/粉末冶金技术制备Al-4Cu-xLi-X(x=1,2和3)合金,研究合金制备过程中显微组织的演变规律及其对力学性能的影响。结果表明,Li含量对合金粉末的尺寸分布、表面形貌、显微组织和物相组成没有明显影响。热等静压后得到致密的块体合金,随着Li含量升高,组织中第二相的数量不断增加并逐渐形成网状结构;合金抗拉强度随之提高,但是延伸率显著下降。经过热挤压,合金中原始粉末边界充分破碎,第二相沿挤压方向分布,合金强度和延伸率同时提高。

超重力分离法净化2011型号废旧Al-Cu合金

基于Al-Cu合金中不同杂质相的熔点差异,借助超重力场可强化过滤分离的特点,以2011型号Al-Cu合金为原料,探究合金中杂质元素Fe、Pb和有益元素Al、Cu的分离规律。研究结果表明:原料经过高温重熔再结晶的过程后,杂质聚集到铝基体晶界间,在高温超重力场中,低熔点杂质可穿过晶界间的孔隙分离除去,当超重力分离时间≥1 min时,Fe、Pb含量不再随时间变化;提高超重力系数和温度均有利于Fe、Pb的去除,但Al、Cu回收率降低。综合考虑Fe、Pb含量和Al、Cu回收率,确定较好的超重力分离工艺参数:超重力系数为600、分离温度为610℃、分离时间为1 min,该工艺参数条件下,Fe、Pb含量分别净化至0.06%和0.08%,Al、Cu回收率分别为95.64%、67.90%,废旧Al-Cu合金中的Al和Cu总占比由97.91%提升至99.72%。