不锈钢表面Al/Cu涂层制备与第一性原理计算

为了研究Al/Cu涂层中金属间化合物的生成顺序和形成机理,在304不锈钢基体表面制备了Al/Cu涂层。对试样进行热处理使得Al/Cu涂层原位反应生成金属间化合物,随后测试了涂层的高温抗氧化性能。采用第一性原理计算Al-Cu金属间化合物的焓、熵、吉布斯自由能和热容等数据。将热力学和扩散动力学相结合,提出有效生成自由能模型来预测化合物在Al/Cu界面的生成顺序。结果表明:Al/Cu涂层中首先形成Al_(2)Cu相,在Al/Cu界面处出现了AlCu相,加热时间增加至20 h后出现了富Cu的Al_(4)Cu_(9)相。由第一性原理计算得出,Al-Cu金属间化合物的形成顺序为Al_(2)Cu→AlCu→Al_(4)Cu_(9),与实验结果一致。此外,氧化实验结果表明,涂层具有良好高温抗氧化性能。

Cu含量以及Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响

研究了Cu含量和Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响。结果表明Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织是否形成Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)以及θ-Al_(2)Cu取决于Cu含量以及Cu/Mg比。当Cu/Mg比相对低时形成Mg_(2)Si中间相,而Cu/Mg比高时则倾向于生成Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。当Cu/Mg比相同时,高Cu含量和高Mg含量都会促进Q相θ相的形成。通过观察T6热处理后的组织发现Cu含量以及Cu/Mg比控制了初生相的溶解以及析出相的形成,从而影响合金的强度与韧性。通过控制Cu含量及Cu/Mg比使Al-9Si-2Cu-0.5Mg合金中析出较少数量的初生相,再通过热处理析出大量的Q′强化相,使合金具有较高的强度和相对适中的伸长率。

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%。

Al−Cu−Li−Mg合金纳米相之间溶质配分行为的第一性原理研究

采用一性原理计算考察25种合金化元素在大多数商业牌号Al−Cu−Li−Mg合金中主要纳米相(δʹ-Al3Li、θʹ-Al2Cu、T1-Al6Cu4Li3和S-Al2CuMg)之间的溶质配分能和配分行为。计算结果表明,主合金化元素Li不能直接影响θʹ和S相,Cu不能直接影响δʹ相,Mg不能直接影响θʹ和δʹ相,但可以较弱地固溶于T1相。对于微合金化元素,Si是唯一一种可以固溶于4种纳米相的元素。Au能固溶于δʹ、θʹ和S相,Cd能固溶于δʹ、T1和S相,Zr能固溶于δʹ和T1相,Ni仅有微弱的趋势固溶于θʹ和S相。Ti、V、Zn、Ag和Mo只能固溶于δʹ相,而Cr、Mn、Fe和Co对这4种纳米相均没有直接影响。几乎所有的稀土元素均能强烈固溶于T1、δʹ和S相,但无法固溶于θʹ相。仅Sc略显特殊,对S相没有明显的固溶趋势。计算预测的溶质配分能构成了一个原型数据库,有利于指导和加速Al−Li合金及其他相关Al合金的设计。

Ni镀层对Cu/Al钎焊接头界面组织与力学性能的影响

为探究Ni-P镀层对Cu/Al异种金属钎焊界面反应的影响,采用化学镀方法对T2紫铜进行化学镀镍处理,使用BAl88Si药芯钎料通过感应钎焊方法钎焊Cu/Al接头。采用扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术对接头进行微观组织观察与物相分析,并对接头进行力学性能测试,分析镀层对Cu/Al接头微观组织结构及力学性能的影响,探讨钎焊过程中不同钎焊接头的界面形成机理。结果表明:无镀层接头在界面处形成了Cu_(9)Al_(4)和CuAl_(2)两层金属间化合物,有镀层接头界面处形成了Al_(2)Ni和Al_(3)Ni金属间化合物。无镀层接头的抗拉强度可达56.4 MPa,优于有镀层接头。接头均发生脆性断裂,断裂位置从无镀层接头的CuAl2和α-Al固溶体的界面处转变为有镀层接头的Al3Ni金属间化合物处。

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。

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。

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。

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%。

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。

FeCoNiCrCu高熵合金涂层对复合铸造Al/Mg双金属组织和性能的影响

目的研究不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射仪、维氏硬度测试仪和万能试验机对Al/Mg双金属界面微观组织和力学性能进行测试和分析。结果未喷涂高熵合金涂层的Al/Mg双金属界面由共晶层和金属间化合物层组成,断裂位置主要位于金属间化合物层,裂纹从Al_(3)Mg_(2)扩展至共晶层结束,具有典型的脆性断裂特征,剪切强度仅为30.37MPa。当高熵合金涂层厚度为5μm时,Al/Mg双金属形成了Al_(3)Mg_(2)+Mg_(2)Si/AlxFeCoNiCrCu+FeCoNiCrCu+Al-Mg-Co-Ni混合相/δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的复杂界面,断裂发生在高熵合金层与δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的交界处,断裂面产生了一定程度的塑性变形,剪切强度为48.46MPa,相对于无涂层的Al/Mg双金属提高了59.56%。当高熵合金涂层厚度为20μm时,铝侧生成了AlxFeCoNiCrCu高熵合金,镁侧则只生成了少量Mg-Ni-Cu混合相,断裂发生在高熵合金涂层与镁基体交界处,剪切强度为39.69 MPa。结论高熵合金涂层可以有效阻碍Al、Mg元素之间的扩散,从而显著抑制或完全阻止Al-Mg脆性金属间化合物的产生,大幅度降低界面层厚度。金属间化合物的减少和混合相对裂纹扩展的阻碍作用显著提高了Al/Mg双金属界面的剪切强度。

铬含量对Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和热暴露性能的影响

研究了Cr含量对Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和热暴露性能的影响。结果表明,随着Cr含量增加,合金室温强度呈先上升后下降的变化趋势,含0.2%Cr的合金表现出优异的室温力学性能。透射定量计算结果表明,向合金中添加0.2%Cr,促进了热暴露后合金中Ω相的析出,提高了Ω相的抗粗化性能。Cr添加量超过0.3%后,合金晶界处析出(Al,Cr,Mn,Ti)富集相,导致晶粒粗大。

基于同步辐射与第一性原理计算的Al/Cu钎焊界面组织与接头性能研究

界面脆性化合物对Al/Cu钎焊接头力学性能影响显著,明晰界面化合物的形成、生长行为与块体性质对调控界面组织与接头性能至关重要。本文借助同步辐射X射线成像技术对加热与冷却过程中Al/Cu钎焊界面组织演变进行动态表征,利用第一性原理计算对界面化合物的块体性质进行计算,研究了界面化合物的形成次序、模量与键合特征。结果表明,界面Al_(2)Cu与Al_(4)Cu_(9)化合物在冷却过程中形成,小平面枝晶状Al_(2)Cu化合物为初生相,从原始界面处凝固析出,且二次枝晶臂呈非对称性;与母材接触后发生扩散反应形成层状Al_(4)Cu_(9)化合物。界面化合物具有金属键与共价键的混合键合特征,Al_(4)Cu_(9)化合物具有较高的结合能、体积弹性模量、剪切模量、杨氏模量与硬度,可提高Al/Cu钎焊接头硬度,降低塑韧性。

Cu-Al尖晶石氧化物缓释催化剂表面重构对促进甲醇重整反应性能的研究

Cu-Al尖晶石氧化物作为甲醇水蒸气重整制氢缓释催化剂,在反应过程中逐渐释放活性Cu,其催化行为与催化剂的表面结构密切相关。本研究采用酸碱溶液对固相球磨法合成的Cu-Al尖晶石催化剂进行表面处理,以期通过表面组成及结构的修饰来提高其催化性能。研究结果表明,硝酸、氨水、氢氧化钠溶液与催化剂的作用差别极大,酸处理去除了催化剂表面的Cu和Al物种,氢氧化钠溶液处理则主要去除了Al物种,氨水溶液处理作用最弱,去除了极少量的Cu和Al。伴随着Cu、Al物种的流失,催化剂表面结构重组和铜物种再分布改变了铜的缓释行为。反应性能评价结果表明,硝酸和氨水处理改善了缓释催化性能,其中,硝酸处理后的催化剂表现出更优异的催化稳定性;而氢氧化钠溶液处理不利于缓释催化性能的提高。结合反应后催化剂表征结果,阐明缓释Cu粒径大小和Cu晶粒微观结构应变对催化性能发挥着重要作用。当前工作为提高缓释催化提供了一种切实可行的方法。

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。

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。