定向凝固亚共晶Al−Cu合金显微组织演化和显微偏析:实验数据和相场模拟结果比较

利用相场模型预测Al−Cu合金的显微偏析、凝固速度、枝晶臂间距和枝晶形貌,并将模拟结果与实验结果进行比较。计算中采用冷却速率和有效分配系数的实验值。相场模拟的显微偏析结果与实验值吻合良好,这是由于模型中考虑冷却速率、有效分配系数和溶质的反扩散。凝固速度的计算结果与实验结果吻合较好。将通过相场模型计算的三次枝晶臂间距与实验数据进行比较,两者吻合较好。由于高冷却速率对显微组织的细化作用,枝晶臂间距随位置增大而增大。最后,通过二维模拟得到与实验结果相似的枝晶形貌。

Sn诱导Al−4Cu合金中θ′相向θ相的相转变机制及其对合金高温强度的影响

通过显微组织观察和拉伸试验研究添加0.02%Sn(质量分数)对Al−4Cu合金在573 K高温热暴露过程(100 h)中θ′向θ相转变机制和高温强度的影响。研究结果表明,Sn微合金化能完全改变Al−4Cu合金在持久热暴露过程中θ′相向θ相的相转变机制。在未添加Sn的Al−4Cu合金中,棒状θ相在粗化后的盘状θ′相的表面形核和生长。然而,当添加少量Sn后,θ相首先在β-Sn颗粒上异质形核,然后形成粗大的针状相。由于Sn微合金化能提高Al−4Cu合金中θ′相的数密度并降低其尺寸,因此,Al−4Cu合金在T5状态下的室温和573 K高温下的屈服强度得到显著提高。然而,Sn微合金化能同时促进持久热暴露过程中θ′相向θ相的转变,导致Al−4Cu合金在热暴露后的高温(573 K)强度显著降低。

时效处理对快速冷冲Al−Cu−Mg合金S'相演变规律的影响

采用高分辨透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和硬度测试等手段,研究快速冷冲后时效过程中喷射成形细晶Al−Cu−Mg合金中长片状S'相的演变规律。研究结果表明:快速冷冲过程中,挤压态Al−Cu−Mg合金中长片状S'相发生明显的扭曲、破断、分离和回溶,导致长片状S'相变成短棒状,甚至完全回溶,使基体成为过饱和固溶体。经时效处理后发生再析出,时效析出相形貌以长片状和颗粒状为主。在时效过程中未完全回溶的S'相作为形核核心,使周围溶质原子发生上坡扩散,随着时效时间的延长,S'相逐渐长大;部分S'相完全回溶后在时效过程中析出与基体不共格的平衡相,以降低基体的自由能。挤压态Al−Cu−Mg合金经快速冷冲后,时效响应速度加快,合金硬度显著增加。

Al−Cu−Li合金在不同应力下的电脉冲辅助蠕变时效行为

研究电脉冲对Al−Cu−Li合金蠕变时效行为、强度和显微组织的影响。在不同的应力和时间条件下,进行电脉冲辅助蠕变时效(ECA)和常规蠕变时效(CCA)实验。施加电脉冲可以显著改变合金的蠕变行为,包括蠕变曲线的变化、初期蠕变速率的增加和蠕变量的提高。ECA试样达到峰值强度的时间比CCA试样的短,在强度几乎不变的情况下,其伸长率提高约17.4%。在电脉冲作用下,晶粒细化导致形成超细纳米级亚晶粒,从而增加晶界滑动,提高蠕变量。电脉冲作用下位错相互作用和溶质原子扩散的增强被认为是蠕变早期平台阶段消失的主要原因。在峰时效ECA样品中观察到一些T1相在晶界附近析出,这将导致穿晶断裂的发生,进而提高试样的伸长率。

非等温时效对Al−5.87Zn−2.07Mg−2.42Cu合金组织和性能的影响

研究Al−5.87Zn−2.07Mg−2.42Cu合金在非等温时效过程中组织和性能的变化,通过室温拉伸机测试合金的力学性能。结果表明,在非等温时效过程中,当合金冷却到140℃时,合金的抗拉强度达到最大值(582 MPa),此时伸长率为11.9%。此外,通过透射电子显微镜对合金的显微组织进行观察,观察结果表明GP区和η'相是合金的主要强化析出相,当合金冷却到180℃时,GP区发生二次析出。此外,经过非等温时效处理的合金的主要强化相仍为η'相。

固溶加热速率与Al−Mg−Si−Cu合金力学性能、显微组织及织构的关系

通过拉伸试验、扫描电镜、X射线衍射仪和EBSD技术研究固溶加热速率与Al-Mg-Si-Cu合金力学性能、显微组织及织构的关系。实验结果表明,固溶加热速率与力学性能、显微组织及织构的关系是非单调的。随着加热速率的增加,强度变化取决于拉伸方向;加工硬化指数n先减小,后增加;塑性应变比r值先增加,后减小,最后又增加。加热速率对合金最终显微组织和织构有一定影响。随着加热速率的增加,显微组织由拉长晶粒组织转变为等轴晶粒组织,平均晶粒尺寸呈先减小、然后增加、最后再减小的趋势。随着加热速率的增加,尽管织构组分如CubeND{001}<310>和P{011}<122>基本无变化,但织构密度和体积分数呈现先减小、后增加、最后减小的趋势。加热速率对显微组织和织构演变的影响较小。提高加热速率并不总是有利于形成细小的等轴晶粒组织、弱织构以及较大的平均r值,这些与合金的再结晶行为有关。

预变形对Al−Mg−Si−Cu合金析出相结构和形成机制的影响

基于原子分辨率的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)系统研究预变形对Al−Mg−Si−Cu合金中析出相结构和形成机制的影响。在预变形合金中,沿位错处形成拉长和线状的析出相。在位错处形成的析出相具有以下3个特征:析出相内部呈非周期性原子排列;Cu原子偏聚发生在析出相/α(Al)的界面处;在一个析出相内部具有多种不同的取向。提出异质形核析出相的4种形成机制:被拉伸的析出相在位错上独立形成;线状析出相在位错上直接析出;不同的析出相相遇结合成线状析出相;析出相与其他相或溶质原子富集区相连接。这些不同的形成机制导致形成具有不同结构和形貌的析出相。

固溶态和时效态挤压铸造Al−5.0Mg−3.0Zn−1.0Cu合金的显微组织及力学性能

研究Al−5.0Mg−3.0Zn−1.0Cu合金挤压铸造态、固溶态和时效态显微组织及力学性能随截面深度的变化规律。对于挤压铸造态合金,从表层到心部,α(Al)的晶粒尺寸和T-Mg32(AlZnCu)49相的宽度显著增加,而T-Mg32(AlZnCu)49相的体积分数显著下降,这些变化导致挤压铸造态合金抗拉强度从243.7 MPa降低到217.9 MPa,伸长率从2.3%降低到1.4%。在470℃下固溶处理36 h后,大部分第二相溶解于α(Al)基体中,并且表面和心部的晶粒尺寸均较挤压铸造态的增大,从表层到心部,合金的伸长率从18.6%降低到13.9%,抗拉强度从387.8 MPa降低到348.9 MPa。在120℃下进一步时效24 h后,在基体中析出G.P.II区和η'相,合金表层和心部的抗拉强度分别增加到449.5 MPa和421.4 MPa,而伸长率则降至12.5%和8.1%。

热处理工艺对砂型铸造Al−2Li−2Cu−0.5Mg−0.2Sc−0.2Zr合金显微组织和力学性能的影响

研究不同热处理工艺对砂型铸造Al−2Li−2Cu−0.5Mg−0.2Sc−0.2Zr合金显微组织和力学性能的影响。设计三级固溶处理方案((460℃,32 h)+(520℃,24 h)+(530/540/550℃,4/12/24/32 h))和不同温度(125,175,225℃)时效处理方案用于比较。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析显微组织演变过程。结果表明,最佳固溶处理((460℃,32 h)+(520℃,24 h)+(530℃,12 h))可溶解大部分晶界第二相。透射电镜结果表明,经175℃时效8 h后,δ′(Al_(3)Li)颗粒均匀分布于基体中,并伴有少量板条状S′(Al_(2)CuMg)和片状T_(1)(Al_(2)CuLi)相。采用最佳热处理方案((460℃,32 h)+(520℃,24 h)+(530℃,12 h)+(175℃,8 h))可获得屈服强度为376 MPa、极限抗拉强度为458 MPa和伸长率为4.1%的最佳综合性能。

Cu含量和Sc添加对高锌Al−Zn−Mg−Cu合金淬火敏感性和显微组织的影响

根据7085合金成分,调整7xxx铝合金中Zn、Cu和Sc的含量;研究Zn、Cu含量及Sc添加对7xxx铝合金显微组织、硬度和淬火敏感性的影响。在距淬火端3 mm处,高Zn和Sc添加合金的硬度值高于7085合金的。在距淬火端120 mm处,η和T相的密度随Zn和Cu含量的增加而增加,Sc添加导致形成Y相和更多的η相。与7085合金相比,高Zn高Cu和Sc添加合金具有更高的淬火敏感性。增加Zn含量并降低Cu含量可在提高7085合金硬度的同时降低其淬火敏感性。

定向凝固Al−6%Cu−5%Ni合金的显微组织特征和力学、电化学行为

在Al−6%Cu合金中添加5.0%Ni(质量分数),研究其对合金凝固时的冷却速率(T)和生长速率(V_(L)),显微组织中枝晶长度、金属间化合物(IMCs)的形貌和分布,以及最终性能的影响。研究在大冷却速率范围内制备的定向凝固Al−6%Cu−5.0%Ni合金铸锭沿长度方向的耐腐蚀性和拉伸性能。推导出一次枝晶间距(λ_(1))和二次枝晶间距(λ_(2))随T和V_(L)的演变规律。采用Hall−Petch公式计算沿铸件长度方向的断后伸长率(δ)和极限抗拉强度(σ_(U))与λ_(1)^(−1/2)的关系。在合金成分中添加Ni的强化效果优于细化枝晶组织的强化效果。在较高T下凝固的样品中形成细小的IMCs,且均匀分布在枝晶间,这种典型的显微组织使样品具有最高的耐腐蚀性。

Al−Cu−Mg合金凝固过程中低熔点共晶体含量与其热裂敏感性之间的关系

对三元Al−Cu−Mg合金凝固过程中共晶尤其是低熔点共晶含量与热裂敏感性之间的关系进行系统研究。通过控制Al−Cu−Mg合金中主合金元素Cu、Mg的含量,使合金凝固末期的低熔点共晶体含量不同并对相应的热裂敏感性进行评价。结果表明:凝固末期具有最少量低熔点共晶体的Al−4.6Cu−0.4Mg(质量分数,%)对热裂最为敏感。在残余液体的总量基本相等的条件下,不同合金成分抗热裂性能与低熔点共晶含量密切相关,合金热裂抗性与低熔点共晶体含量密切相关,即:低熔点共晶含量越高,合金的热裂抗性越好。最后,从凝固过程中的补缩、渗透率以及整体黏度方面讨论低熔点共晶显示出良好热裂抗性的潜在机理。

快速冷冲对Al−Cu−Mg合金长片状S′相破断行为的影响

采用高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)和选区电子衍射(SAED)技术,研究快速冷冲强变形对挤压态Al−Cu−Mg合金长片状纳米析出相破断行为的影响机理。实验结果表明:挤压态Al−Cu−Mg合金中长片状S′相与铝基体界面平整,在快速冷冲强变形过程中发生明显破断,其破断机制主要为扭曲、脆断、回溶和缩颈。长片状S′相的破断,增加了S′相与铝基体的接触面,提高了界面畸变能,从而导致S′相的自由能高于基体自由能,为溶质原子回溶至铝基体的扩散创造条件。脆性S′相在快速冷冲强变形过程中产生“回溶台阶”,进一步加速溶质原子的扩散,促进S′相的回溶,造成S′相缩颈而导致各部分的分离,从而使挤压态长片状S′相“碎化”成短而细的S′相。

时效处理调控双相强化Al−Zn−Mg−Cu中T'相和η'相相分数

采用硬度测试和透射电镜研究T'相和η'相强化Al−Zn−Mg−Cu合金中析出相相分数的调控策略。结果表明,在120和150℃的单级和双级时效处理条件下,试样中出现不同相分数组合的T'相和η'相。在120℃时,较低的时效温度有利于η'相析出,随着时效时间的延长,η'相的相分数增加;而在150℃时效过程中,T'相和η'相的相分数几乎保持不变。此外,采用几何相位分析技术分析T'相和η'相产生的应变场,并结合析出相的尺寸、相分数和数量密度,定量预测T'相和η'相对析出强化的宏观贡献。

均匀化处理对2195铝锂合金显微组织及再结晶行为的影响

采用扫描电镜、X射线衍射、透射电镜及电子背散射衍射等方法研究均匀化处理过程中2195合金的显微组织演变和Al3Zr析出相对再结晶行为的影响。结果表明,经均匀化处理后,铸态合金中严重的枝晶偏析得到有效消除,但其过程受到溶解速度较慢的Al−Cu相的限制。此外,与其他均匀化处理工艺(单级、双级和以60℃/h斜坡升温的均匀化处理)相比,在以30℃/h斜坡升温的均匀化处理条件下,样品(H30)中析出尺寸较细小且密度较大的Al3Zr弥散相。Al3Zr弥散相的尺寸越小,密度越高,其具有的Zener钉扎阻力越强,可阻碍位错及(亚)晶界的移动。因此,在热压缩及后续固溶处理过程中H30样品表现出较强的再结晶抗力。该研究能为铸态2195铝合金热处理工艺参数的优化提供理论指导。

添加Cu对A357合金过时效行为及室温、高温拉伸和疲劳性能的影响

本研究的目的是通过研究富铜合金在室温和200℃下的抗拉强度和疲劳强度以评估合金的过时效行为,并将力学性能与其显微组织,尤其是二次枝晶臂间距(SDAS)相关联。在200℃下对过时效合金进行力学性能测试,结果显示,在A357合金中添加1.3%(质量分数)Cu能够使其极限抗拉强度、屈服强度和疲劳强度分别保持在近210、200和100 MPa。与四元(Al−Si−Cu−Mg)C355合金相比,A357−Cu合金具有更高的室温力学性能和相当的高温(200℃)力学性能。显微组织分析表明,SDAS对峰值时效A357−Cu合金的室温力学行为有影响,而对过时效合金在200℃的拉伸和疲劳性能影响甚微。

回归再时效7150铝合金的蠕变时效行为

通过蠕变时效实验、拉伸性能测试、电导率测试和透射电镜观察,系统研究回归再时效状态的7150铝合金的蠕变时效行为。蠕变时效实验结果表明,回归再时效状态7150铝合金的稳态蠕变主要是位错攀移机制(应力指数≈5.8),其稳态蠕变行为对晶内和晶界的析出相变化不敏感,但总的蠕变变形随着再时效时间的延长而增大。另外,在140℃蠕变时效16 h后,4种回归再时效样品的屈服强度和抗拉强度基本相同,但伸长率随着再时效时间的延长略有下降。而且回归再时效处理有利于提高7150铝合金的硬度和电导率。研究结果表明,蠕变时效前的回归再时效处理可以改善7150铝合金的晶内和晶界组织,提高合金的成形效率,改善合金的综合性能,包括力学性能和电导率。

喷射成形、挤压和旋锻再生处理7050铝合金线材的疲劳强度和显微组织

再生高强铝合金由于力学性能差,在结构材料方面的应用有限。喷射成形重熔后再热挤压是一种有前途的用于7系铝合金的再加工方法。对7050铝合金切屑进行喷射成形、热挤压、旋锻和热处理,以恢复其力学性能。制备直径2.7mm的再生铝合金线材,研究其显微组织、拉伸性能和疲劳强度。采用XRD、SEM、EBSD、TEM和DSC等手段对二次相和析出相进行表征。对比锻态和热处理(固溶和时效处理)态合金线材的力学性能,发现两种合金线材的力学性能均优于AA7050航空规范。材料在旋锻过程中发生大量的塑性变形,从而导致急剧的晶粒细化,可观察到细小的微观和亚微观Al晶粒、粗大和细小的金属间化合物析出相。随后的固溶处理导致形成均匀的再结晶和等轴晶(9μm)显微组织。在120℃时效处理后,形成纳米级GP(I)区和η′析出相,合金表现出更高的抗拉强度(586 MPa)和疲劳强度(198 MPa)。