L12型Al3（Yb,Zr）相结构的第一性原理计算和实验研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势从头算量子力学方法,对L12结构的Al3Zr,Al3Sc,Al3Yb,以及Zr替代部分Sc或Yb的Al3(Sc0.5,Zr0.5)和Al3(Yb0.5,Zr0.5)化合物的晶格常数和形成焓进行计算。计算结果表明,L12结构Al3(Yb0.5,Zr0.5)化合物是热力学稳定的,在铝中易以共格态形式析出。通过透射电镜观察发现,Al-Zr-Yb合金经热处理后析出大量尺寸为20~80 nm的L12结构Al3(Yb,Zr)弥散相,芯部富Zr的Al3(Yb,Zr)和芯部富Yb的Al3(Yb,Zr)相均为明显的壳核结构。L12结构Al3(Yb,Zr)相的高温析出硬化作用及稳定性和抑制再结晶效果均优于L12结构Al3Zr相。

Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中Al3(Scx,Zr1-x)粒子的形成机制研究

用水冷铜模激冷铸造制备Al-5.8Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr合金。用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和金相显微镜(OM)研究合金中Al3(Scx,M1-x)第二相粒子的存在形式和形成机制。结果表明:Al-5.8Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr合金在急冷铸造条件下,合金中的Sc和Zr主要以固溶形式存在于α(Al)基体中,透射电镜和扫描电镜下很难观察到这些粒子存在。初生Al3(Scx,M1-x)粒子对铸态晶粒具有细化作用,晶粒尺寸可细化到10~20μm。铸态合金经550℃退火20 h后析出大量次生Al3(Scx,M1-x)粒子,这些粒子呈内部富Sc,外部富Zr的复合结构。该结构的形成一方面是由于Sc在铝合金基体中的原子扩散速率比Zr大;另一方面,通过形成这样的结构可降低界面能。

Al-Si-Mg-Cu-Zr-Sc合金中初生Al3(Sc,Zr)相的形成和组织细化

采用金相显微镜(OM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)以及背散射电子衍射(EBSD),研究了含0.2%Zr和0.6%Sc的Al-Si-Mg-Cu-Zr-Sc合金中初生Al3 (Sc,Zr)相的形成及其细化合金铸态组织的机制。结果表明:Al-Si-Mg-Cu-Zr-Sc合金熔体在凝固过程中析出了初生Al3(Sc,Zr)相,由于其与基体的结构和生长取向相近,作为非均匀形核的核心使合金组织显著细化,并使合金铸态组织从粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶。初生Al3(Sc,Zr)相以α-Al为核心生长,形成了"α-Al+Al3(Sc,Zr)+α-Al+Al3(Sc,Zr)+…"的偶数层共晶结构。

退火时间对Al-Mg-Mn-Zr-Er合金冷轧板组织与性能的影响

制备了Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Zr-0.2Er合金冷轧板材,在板材再结晶温度下退火不同时间获得不同程度再结晶的板材,测试不同程度再结晶的板材的力学性能和腐蚀稳定性,并采用金相显微镜、TEM、EBSD对合金显微形貌进行分析。结果表明:冷轧合金在275℃退火45 min时,得到最优的力学性能和腐蚀性能的匹配。随着再结晶程度的增加,冷轧合金内部原有的连续晶界被破坏,β相由沿晶界连续分布变为断续分布,合金的腐蚀性能增加。合金中复合添加Er和Zr,形成细小弥散的Al3(Er,Zr)质点,可钉扎晶界阻碍晶界的迁移,抑制合金的再结晶,提高再结晶温度。

Al-Mg-Sc-Zr合金搅拌摩擦焊板材的显微组织演变及力学性能

对Al-Mg-Sc-Zr合金轧制板材进行搅拌摩擦焊,焊针转速为500 r/min,行进速度为100 mm/min。采用OM、EBSD和TEM对搅拌摩擦焊后的合金板材组织进行表征,并测试显微硬度和拉伸强度。结果表明,搅拌摩擦焊后,旋转焊针附近区域的纤维晶粒发生弯曲;轧制板材的织构逐渐减轻。在焊核区,细小的等轴晶尺寸仅为2.31μm。Al_3(Sc,Zr)粒子受到FSW的影响。搅拌摩擦焊后的粒子分布和粒子大小与原始板材不同。此外,Al_3(Sc,Zr)粒子的形状由球形变为多边形,许多粒子与Al基体变得不共格。搅拌摩擦焊板材的抗拉强度为367 MPa,屈服强度为263 MPa,原板材的强度分别为414 MPa和311 MPa。

Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Yb铝合金中弥散相的形成和作用

采用金相、能谱分析、扫描电镜、透射电镜和力学性能实验,研究Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Yb铝合金中弥散相的形成以及弥散相对铝合金显微组织、再结晶行为、拉伸性能和断裂韧性的影响。结果表明:在Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Yb合金中形成了大量、细小、分布均匀、与基体共格的L12型Al3(Zr,Yb)弥散相;与Al-Zn-Mg-Cu-Zr中形成的Al3Zr弥散相相比,Al3(Zr,Yb)弥散相能更有效地抑制合金变形固溶过程中的再结晶,合金屈服强度提高了6%,断裂韧性提高35%。

添加微量Sc、Zr对超高强铝合金微观结构和性能的影响(英文)

采用低频电磁铸造技术制备Al-9Zn-2.8Mg-2.5Cu-x Zr-y Sc(x=0,0.15%,0.15%;y=0,0.05%,0.15%)合金,借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、力学性能测试等手段分别对其均匀化、热挤压态、固溶态和时效态的组织与性能进行对比分析。结果表明:添加微量Sc和Zr,会在凝固过程中形成初生Al3(Sc,Zr),可显著细化合金铸态晶粒;均匀化时形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可以强烈钉扎位错和亚晶界,有效抑制变形组织的再结晶,显著提高合金的力学性能。与不含Sc、Zr的合金相比,含0.05%Sc和0.15%Zr的合金经固溶处理和峰值时效处理后其抗拉强度和屈服强度分别提高172 MPa和218 MPa,其强化作用主要来自含Sc、Zr化合物对合金起到的亚结构强化、析出强化和细晶强化。

复合添加微量Sc,Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织性能的影响

研究了微量Sc,Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织性能的影响。结果表明:单独添加0.18%Zr,合金抗拉强度和延伸率明显低于单独添加0.18%Sc,但再结晶抑制效果优于单独添加0.18%Sc。复合添加Sc,Zr较单独添加Sc或Zr具有更好的晶粒细化作用,较强的固溶强化作用和再结晶抑制效果。在Zr含量一定的条件下,合金强度和延伸率随Sc添加量增加而提高。强度和延伸率增加与所析出的LI2结构的Al3Sc,Al3(Sc,Zr)粒子钉扎位错和亚结构,析出粒子数量增加、弥散度增大、分布均匀性提高、析出的η′相所占的体积分数增加有关。当Sc,Zr复合添加量达到0.50%Sc+0.18%Zr时,合金经固溶处理后发生部分再结晶,抗拉强度和延伸率大大降低。合金强度和延伸率降低与晶内、晶界大量析出粗大难熔的DO23结构的Al3(Sc,Zr)粒子有关。

微量Sc和Zr对Al-Mg-Mn合金组织与力学性能的影响

采用活性熔剂保护熔炼、水冷铜模激冷铸造制备Al-5.8Mg-0.4Mn和Al-5.8Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr(质量分数,%)两种合金铸锭。合金铸锭经热轧中间退火冷轧成2 mm薄板;研究稳定化退火及微量Sc和Zr对Al-Mg-Mn合金组织与性能的影响。结果表明:在Al-Mg-Mn合金中加入微量Sc和Zr后形成大量弥散的Al3(Sc,Zr)粒子,这些粒子对位错和亚晶界具有强烈的钉扎作用,能明显提高合金的抗再结晶能力和室温力学性能;Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材经300℃退火1 h后可获得最佳综合力学性能,其σb、σ0.2与δ分别为436 MPa、327 MPa和16.7%。

Al_3(Sc,Zr)粒子与剪切带对Al-Mg-Sc-Zr合金再结晶及断裂行为的影响

利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究大变形冷轧Al-6Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr(质量分数,%)合金在不同稳定化退火过程中的组织演变及单轴拉伸断裂行为。结果表明:在大变形冷轧过程中,弥散分布的纳米级Al3(Sc,Zr)粒子阻碍位错运动和晶界迁移,位错密度显著增加。高密度的位错缠结诱发局部不均匀变形,形成大量剪切变形带。冷轧状态下,合金组织分布不均匀,剪切带区域位错密度较大,变形储能较高,在单轴拉应力状态下,合金沿着剪切带方向发生剪切断裂。在稳定化退火过程中,剪切变形带中优先发生形核与晶粒长大。随着稳定化退火温度的不断提高,亚晶发生合并长大,剪切变形组织逐渐消失,合金的断裂行为由剪切断裂转变为混合型韧性断裂。经过高温稳定化退火处理后,部分Al3(Sc,Zr)粒子发生粗化,析出相弥散强化作用减弱,少量粗大粒子转变为裂纹源,合金强度逐渐减弱。

7×××铝合金退火过程中二次Al_3(Sc,Zr)粒子的析出行为

采用透射电子显微镜,研究含钪Al-Zn-Mg-Cu-Zr系铸态合金在退火过程中二次Al3(Sc,Zr)粒子的析出形貌、尺寸及分布。结果表明:含0.20%Sc的7系铝合金铸态试样在450℃退火2h后,α(Al)基体内析出呈豆瓣状的二次Al3(Sc,Zr)粒子;在450℃退火32h后,Al3(Sc,Zr)粒子尺寸为16～23nm;在450℃退火32h后的二次Al3(Sc,Zr)相与α(Al)基体完全共格。

微量Sc和Zr对2524SZ合金薄板疲劳裂纹扩展特性的影响

采用拉伸和疲劳力学性能测试、金相和透射电子显微分析,研究2524和用微量Sc和Zr合金化的2524SZ合金T3态薄板的组织和性能,考察微量Sc和Zr合金化对2524SZ合金T3态薄板疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明:微量Sc和Zr在2524SZ合金中主要以次生的Al3(Sc,Zr)粒子形式存在,这种粒子与基体共格,固溶处理过程中能部分抑制合金的再结晶,基体晶粒组织主要由细小的亚晶组成;在相近的应力强度因子ΔK条件下,2524和2524SZ合金T3态薄板的疲劳裂纹扩展速率分别为4.50和2.35μm/cycle,表明添加微量Sc和Zr能显著降低2524SZ合金抵抗疲劳裂纹扩展速率;亚晶强化和Al3(Sc,Zr)相析出强化是微量Sc和Zr使2524SZ合金疲劳裂纹扩展速率降低的主要原因。

微量钪对超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金组织与性能的影响

采用铸锭冶金法制备了5种不同Sc含量的超高强Al-8.1Zn-2.3Cu-2.05Mg-0.12Zr合金,利用光学显微镜和透射电镜以及扫描电镜分别观察了合金的显微组织与断口形貌,测试分析了合金的拉伸力学性能。结果表明:采用Sc微合金化,凝固过程中形成的初生Al3(Sc,Zr)粒子可显著细化合金铸态晶粒组织,消除枝晶偏析,均匀化过程中形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可抑制合金的再结晶,并强烈钉扎位错及亚结构;微量Sc的添加使合金强度提高26～94MPa,同时保持较高的伸长率,合金拉伸断口表现为层状和韧窝混合型形貌特征,合金中适宜的Sc添加量为0.21%。

Al-5.8Mg-Mn-Sc-Zr合金的再结晶行为(英文)

采用活性熔剂保护熔炼,水冷铜模激冷铸造技术制备了Al-5.8Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr(质量分数,%)合金板材。通过显微硬度测试、光学显微镜和透射电镜观察等分析手段研究了该合金的再结晶温度和再结晶形核机制。结果表明:通过添加微量的Sc和Zr元素使Al-Mg-Mn合金的抗再结晶能力得到显著提高,即添加了Sc和Zr的Al-Mg-Mn合金再结晶温度(450℃)比没有添加的合金(150℃)的高。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的再结晶温度较高的主要原因是细小、弥散的Al3(Sc,Zr)粒子对位错和亚晶界的钉扎作用。合金的再结晶形核机制为亚晶合并和亚晶长大的双重机制。

变形Al-Mg-Sc-Zr合金退火组织的TEM观察

采用真空感应熔炼制备Al-6Mg-0.4Mn-0.2Sc-0.1Zr-0.1Cr(质量分数,%)合金,研究了冷变形态合金分别在350,400,450和500℃退火1h后傲观组织和力学性能的变化. TEM观察表明.冷变形态的合金组织为交错缠结的位错胞经过350℃退火后位错在晶界规律排列,密度大大降低,发生回复,晶粒保持在500 nm以下.在400-500℃的退火过程中再结晶过程缓慢进行,由于Al3(Sc,Zr)相的Zener拖曳作用,合金的再结晶温度区间宽化.力学性能在350℃退火时发生明显变化,随退火温度的进一步升高变化不明显.

Sc和Zr复合微合金化对Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响

采用水冷铜模.激冷铸造法,制备了三种Sc和Zr含量不同的Al-Zn-Mg-Cu合金薄板材,测试了合金经120℃时效不同时间后的拉伸性能,利用光学显微镜和透射电子显微镜观察了合金的显微组织。结果表明:采用Sc和Zr复合微合金化可明显细化合金的铸态晶粒组织,抑制合金的再结晶,大大提高合金的强度;Sc含量越高,晶粒细化效果越好,合金强度提高也越大;微量Sc和Zr在Al-Zn-Mg-Cu合金中主要以Al3(Sc,Zr)质点的形式存在,初生Al3(Sc,Zr)粒子是在合金凝固过程中形成的,主要起非均质形核的作用,次生Al3(Sc,Zr)粒子是合金在均匀化处理和后续热处理中析出的,起亚结构强化和直接析出强化作用。

时效时间对一种新型Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金析出行为、力学和腐蚀性能的影响（英文）

通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸实验、极化曲线和电化学阻抗谱等方法研究时效时间对一种新型Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金析出行为、力学和腐蚀性能的影响。结果表明:当合金经过120°C时效时,随着时效时间的延长,合金的硬度和拉伸强度呈先快速增加后逐渐降低的趋势。同时,合金的抗剥落腐蚀和晶间腐蚀性能随着时效时间的延长逐渐提高,与极化曲线和电化学阻抗谱呈现的趋势保持一致。合金的晶界析出行为和无沉淀析出带对其力学和腐蚀行为有着重要的影响。由透射电镜观察到的组织可知,随着时效时间的延长,晶界析出相逐渐粗化,无沉淀析出带变宽,且晶界析出相间距变大。

Al-Sc-Zr合金热力学凝固行为的计算分析

为研究Al-Sc-Zr合金中Sc、Zr含量对Al3(Sc,Zr)-LI2相和Al3(Sc,Zr)-DO23相析出的影响,使用Thermo-Calc软件计算分析不同Sc、Zr组分的Al-Sc-Zr合金平衡和非平衡热力学凝固行为。结果表明:Al-Sc-Zr合金中Sc含量主要影响Al3(Sc,Zr)-LI2相的析出温度和含量,Zr主要影响Al-Sc-Zr合金液相线温度和Al3(Sc,Zr)-DO23相的析出。通过对合金中Sc、Zr含量的设计,可以实现对Al-Sc-Zr合金中Al3(Sc,Zr)第二相析出温度和含量的控制,用以指导含钪铝合金的成分设计和熔铸工艺。

Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材制备过程中组织性能的演变

采用拉伸力学性能、硬度、电导率测试以及X线衍射(XRD)物相分析和电子显微分析技术研究Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金板材在制备过程中的组织性能演变。研究结果表明:铸态合金在350℃/8 h单级均匀化处理过程中析出细小弥散的Al3(Sc,Zr)粒子,但同时也析出大量粗大T相,合金过饱和度降低,强度下降;在350℃/8h+470℃/24 h双级均匀化第二级过程中,T相回溶入基体,而Al3(Sc,Zr)粒子特性基本上没有发生变化;由于Al3(Sc,Zr)粒子的抑制再结晶作用,合金热轧、退火以及冷轧后固溶状态下为纤维状变形组织;时效后合金析出大量细小弥散分布的η′相,具有很强的强化效果。

Ni3Al(Zr)合金的高温环境脆性

Ni3Al（Zr）合金在700-1050℃之间存在低塑性区，无论在空气还是在真空中，都表现出脆性的沿晶断裂，塑性很低。在拉伸过程中形成的致密氧化铝薄膜能够有效地阻止氧向基体中扩散，减少环境脆性，提高合金的高温塑性。活性元素Zr能够与氧原子相互作用，减少裂纹沿晶界扩展，改善合金的高温塑性。