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。

Sc元素添加对双辊铸轧Al−Cu−Li−Mg−Zr基合金热处理的影响

提出制备含Sc的Al−Cu−Li−Mg−Zr基合金带材的工艺方案。即先采用双辊铸轧技术制备近净形状的3 mm厚带材,再对其进行均匀化/固溶处理。研究两种Al−Cu−Li−Mg−Zr基双辊铸轧合金,其中一种添加质量分数为0.17%的Sc,另一种未添加Sc。两种合金均先在300℃下退火30 min,然后在450℃下退火30 min以及530℃下退火30 min,随后进行室温水淬。前两段退火后组织中生成了细小、弥散的Al_(3)Zr/Al_(3)(Sc,Zr)颗粒。最后的退火步骤起到了均匀化/固溶处理的作用。双辊铸轧材料的细小晶粒结构使含有主要合金元素的原始颗粒在较短的退火时间内溶解。缩短保温时间可以限制表面层中Li的耗尽和Al_(3)Zr/Al_(3)(Sc,Zr)弥散相的明显粗化。铸态含Sc材料已经具有明显细小的晶粒结构,而经均匀化/固溶处理后生成的Al_(3)(Sc,Zr)弥散相抑制了晶粒在高温下发生粗化。在后续180℃下时效处理后,形成了θʹ(Al_(2)Cu)、T1(Al_(2)CuLi)和S'(Al_(2)CuMg)强化相。在峰值时效状态下,屈服强度提高了200 MPa,这一数值与类似直接冷却铸造材料的相当,从而证实了所提方案的合理性。

Sc含量对Al9.0Zn2.5Mg2.2Cu0.2Zr合金铸态组织的影响

本文研究了Sc添加量对Al9.0Zn2.5Mg2.2Cu0.2Zr合金铸态组织的影响。结果表明,微量Sc与Zr协同可形成Al_(3)(Sc,Zr)第二相,在铸造过程中具有促进非均质形核、细化铸态晶粒的作用,并对合金共晶组织有明显的变质作用。但铸态合金中部分可达微米级初生Al_(3)(Sc,Zr)第二相对合金的加工性能和力学性能易产生不良影响。

Au-Cu-Al合金中的马氏体转变

采用3种热处理工艺研究了Au-Cu-Al合金母相的有序化程度,分析了其A2→B2→L21的有序化转变对马氏体转变的影响,即其相变点、马氏体和母相的结构,以及400℃时效炉冷处理后没有生成马氏体的原因.结果表明,采用100℃时效1.5 h后淬火到冰水中(热处理工艺II)的热处理工艺,可以得到表面浮突的马氏体;采用从650℃直接淬火到液氮中(热处理工艺I)的热处理工艺,也会发生马氏体转变,且其均为bct结构,时效处理可使母相得到充分有序化,从而提高其马氏体转变点温度,并使马氏体转变更加充分;此外,采用400℃时效、炉冷处理并淬火(热处理工艺III)的热处理工艺,可以获得更高的母相有序度,且不会导致马氏体相变,其所产生的bct结构的新相可能是通过形核长大转变而来.

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。

Au-Cu-Al合金相变的内耗

利用内耗方法分别对淬火态和时效态Au7Cu5Al4合金的相变过程进行了研究,分析了2种状态马氏体相变的差异.结果表明:淬火态与时效态Au7Cu5Al4合金的马氏体相变开始温度分别为-2.7和13.8°C;根据驰豫内耗峰信息得出其晶界驰豫激活能分别为131.5和93.0 kJ/mol,反映了时效前后Au7Cu5Al4合金有序度的差异,即淬火态Au7Cu5Al4合金母相在室温下主要为B2结构,而时效态合金为L21有序结构.

Cu对Al-50%Si合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al含量影响研究

Al-Si合金法提纯具有生产成本低、除杂效率高、副产物单一等特点,是一种极具潜力的太阳能级多晶硅原料的制备方法。在该工艺路线中,Al作为溶剂不可避免地会对Si产生污染,如何降低初晶硅中Al的含量是亟需解决的问题之一。本文通过向Al-50%Si合金中加入Cu,分析Cu对合金溶液热力学性能的影响,结合Cu的存在方式,探讨Cu对Al污染的抑制作用。结果表明:在Al-50%Si合金中添加10%(质量分数)Cu后,合金中Al的活度系数降低至0.7148;初晶硅中Al的含量从250.960 mg/kg降低到181.637 mg/kg,比未添加Cu时减少了27.62%,同时,Cu在初晶硅中的残留仅为12.6 mg/kg,低于Cu在Si中的固溶度。可见,在Al-Si合金中引入Cu并未对初晶硅造成二次污染。因此,采用Al-Si-Cu三元合金体系进行提纯制备太阳能级多晶硅能够有效抑制Al对初晶硅的污染。

Al-Cu合金热裂倾向性评价

本文采用树脂砂型,开展了Al-Cu合金热裂倾向性试验,分析了试样热节处金相组织、热裂纹萌生时的温度和收缩力变化。结果表明,Cu含量小于5wt.%时,随着Cu含量升高,平均晶粒尺寸减小,靠晶界处析出呈连续网状分布的θ相增多,热裂倾向性减小。随Cu含量升高,热裂纹初始萌生温度降低,裂纹萌生时的固相体积分数先升高后降低。提出用热裂纹初次萌生时的温度减去完全凝固时的温度与合金结晶温度区间的比值判定Al-Cu合金热裂倾向性。该值越小,合金的热裂倾向性越小。

低压铸造冷却速度对汽车用AlSi7Cu合金组织的影响

采用不同的涂料厚度和砂型对汽车用低压铸造Al Si7Cu铝合金试件进行了实际生产,并对其微观组织的枝晶臂长度进行测量,用来评估凝固速度以及冷却速度对合金组织的影响。结果表明:在铝合金低压铸造过程中,随着模具保温涂料厚度的增加,铸型温度能够达到的最大值越低,铸件的温度则越大。通过对低压金属型铸造和砂型铸造的微观组织观察和二次枝晶臂间距测量发现,随着金属型涂料厚度的增加,铸件边部和心部的二次枝晶臂间距均逐渐增大。涂料厚度越大,铸件冷却速度越低;砂型铸造的试样由边部到心部,二次枝晶臂间距由小变大,有机砂型试样的二次枝晶臂间距大于无机砂型试样的,无机砂的传热更快,拥有更大的冷却速率。

Au对Al-1.7Cu合金均匀化的影响

分别对Al-1.7Cu和Al-1.7Cu-Au(摩尔分数,%)合金铸锭在530℃/24 h条件下进行均匀化处理,采用X线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X线能谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)等对合金的形貌与结构进行观察与分析,研究微合金化元素Au对该合金均匀化过程的影响以及Au在铸态和均匀化态合金中的存在形式。结果表明:铸态Al-1.7Cu和Al-1.7Cu-Au合金均析出大量Al_2Cu相,但Al-Cu-Au合金还析出一定量的Al-Cu-Au相,该相主要沿晶界分布,其形貌与初生Al_2Cu相明显不同,为白色骨头状组织,化学计量比为Al_2(Cu_(0.5),Au_(0.5))均匀化后初生Al_2Cu相大部分回溶,而Al_2(Cu_(0.5),Au_(0.5))相为难溶相,只发生熔断球化,其中的部分Cu回溶,化学计量配比转变为Al_2(Cu_(0.25),Au_(0.75)):均匀化后Al-Cu合金的Cu完全固溶到Al基体中,而Al-Cu-Au合金中只有约90%的Cu固溶到Al基体中,约10%的Cu仍偏聚在Al_2(Cu_(0.25),Au_(0.75))相中。可见添加微量Au影响Al-Cu合金中Cu原子的扩散和偏聚情况。

Er在Al-Cu-Mg-Ag合金中的存在形式及其均匀化工艺

采用扫描电镜观察、X射线衍射物相定性分析,研究元素Er在Al-Cu-Mg-Ag合金中的存在形式及其均匀化工艺。研究结果表明:Er元素主要以Al8Cu4Er相形式存在于铸态合金晶界,少量固溶于-αAl中;Al8Cu4Er相作为Al2Cu相的形核质点,与Al2Cu相共生于晶界,形成典型的枝晶偏析;与Al2Cu相相比,Al8Cu4Er相为难溶相,使得合金均匀化温度升高,成为均匀化过程中工艺的制约因素;采用420℃×6 h+510℃×24 h+520℃×6 h均匀化制度处理后,Al8Cu4Er相回溶至基体,合金晶界变薄,均匀化效果明显。

稀土元素铒对Al-4Cu合金组织与性能的影响

采用拉伸力学性能测试、硬度测试、金相组织观察、透射电镜与能谱分析等方法,研究了不同量稀土元素Er对Al 4Cu合金组织与性能的影响,结果表明:稀土Er能够细化Al 4Cu合金的枝晶网胞组织;Er元素对Al 4Cu合金的再结晶行为起到了抑止作用,添加0.2%Er能使Al 4Cu合金的再结晶起始温度提高80℃左右,再结晶终了温度提高50℃左右;不同量稀土元素Er不能改善Al 4Cu合金的拉伸力学性能,甚至在一定程度上使合金的力学性能降低,这是因为添加到Al 4Cu合金中的Er元素并没有与Al作用形成细小的Al3Er颗粒,而是与Al,Cu发生交互作用形成了低熔点共晶Al8Cu4Er相,这使合金的力学性能在一定程度上有所降低。

内氧化法制备的Cu-Al_2O_3合金的显微组织与性能

利用内氧化法制备了Cu Al2 O3 弥散强化铜合金 ,并对其挤压态、冷拉态、退火态棒材进行了性能测试和显微组织结构分析。结果表明 :挤压后的棒材经 65 %和 90 %的变形量冷拉拔后 ,存在明显的加工纤维组织 ,σb 分别达 468和 495MPa ,相对电导率分别为 90 %和 89%IACS;1 0 30℃× 0 5h高温退火后再结晶现象并不明显 ,仍能保持较高的强度 ;且变形量越大 ,高温退火后强度下降越小 ;

孕育剂Ti,Zr对2219 Al-Cu合金焊缝组织及性能的影响

研究了焊丝中添加孕育剂Ti,Zr对2219 Al-Cu合金MIG焊缝组织和性能的影响.实验结果表明,当焊丝中Ti, Zr添加量分别为0.26％和0.33％时,整个焊缝形成了全部等轴晶组织,并且沿晶界分布的共晶相的数量减少,显著提高了焊缝 金属的抗拉强度和延伸率.在焊缝金属中, Ti,Zr以金属间铝化物质点的形式提供非均质形核的核心,促进了均匀、细小的等轴 晶粒的形成.

稀土铒对Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金微观组织与时效行为的影响

研究了稀土元素铒对Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金微观组织以及165℃时效特性的影响。力学性能测试结果表明:合金中添加稀土Er对合金的强度贡献不大,但可大幅度提高合金的塑性变形能力。显微组织分析表明:添加稀土Er主要以Al8Cu4Er相和少量固溶于基体的形式存在于合金中,Al8Cu4Er相在合金变形过程中细化,对合金起到异质强化的作用。合金中Er原子和空位发生强交互作用,阻碍Ag、Mg原子团的形成,抑制了Ω相形核,延迟Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金在165℃人工时效响应。

Cu对Al-Si-Cu-Ni合金组织和力学性能的影响

通过力学性能分析、硬度测试、金相观察以及能谱分析等手段,研究了Cu对砂型铸造Al-Si-Cu-Ni合金组织和力学性能的影响。结果表明,随着Cu含量的增加,合金中Al-Ni-Cu相和CuAl2相增加,同时合金的室温、高温(250℃)强度提高,伸长率下降。

微量Zr,Er和Y对Al-Zn-Mg-Cu合金铸态组织的影响

采用光学金相(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)检测分析方法,研究单独添加微量Zr、复合添加Er和Y以及复合添加Zr,Er和Y对Al-Zn-Mg-Cu合金铸态微观组织和相组成的影响。研究结果表明:添加Zr可以明显细化合金晶粒,未生成Al3Zr相;稀土元素Er主要以Al8Cu4Er相的形式存在;Y富集于晶界、枝晶界及化合物上。合金中添加Zr、复合添加Er、Y和复合添加Zr,Er和Y均可细化晶粒。

Cu基Cu-Zr-Al块体非晶合金的成分设计

利用变电子浓度经验判据,从Cu-Zr亚组元体系中的最深共晶点Cu61.8Zr38.2和次深共晶点Cu56Zr44出发,连接第三组元Al,建立(Cu81.8Zr38.2)1-xAlx和(Cu56Zr44)1-xAlx变电子浓度线.电子浓度在1.24—1.30的(Cu61.8Zr38.2)1-xAlx合金可通过铜模吸铸法形成直径为3 mm的块体非晶;对于(Cu56Zr44)1xAlx系列合金,块体非晶形成的电子浓度区间为1.28—1.36.热分析结果表明,每条变电子浓度线上块体非晶合金的热稳定性和玻璃形成能力随电子浓度增大而增加.其中, (Cu61.8Zr38.2)1-xAlx变电子浓度线上的非晶合金Cu58.1Zr35.9A16(e/a=1.3)具有最高的热稳定性和最大的玻璃形成能力,其特征参数Tg=760 K,Tg/Ti=0.648,皆高于已报道的最优成分Cu55Zr40Al5(Tg=722 K,Tg/Ti=0.614).

均匀化对Al-Mg-Si-Cu合金组织和性能的影响

采用拉伸力学性能测试、金相观察、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和能谱分析(EDS)研究了均匀化温度和时间及Mn含量对新型Al-Mg-Si-Cu合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,均匀化温度的升高和Mn含量的增加均加快β-AlFeSi相向α-AlFeSi相的转变,α-AlFeSi相的数量随均匀化时间的延长而增加,但这一过程取决于合金中的Mn含量,仅依靠均匀化处理而不加入微量Mn,不能获得适宜形态的α-AlFeSi相颗粒。均匀化处理后,在空冷过程中析出粗大棒状Mg2Si(β')相,急冷后没有观察到此相。合金的拉伸强度降低,但急冷降低的程度要小于空冷。

Al_(10)Zn_(2.9)Mg_(1.7)Cu超高强铝合金的喷射成形制备研究

采用喷射成形技术制备了Al1 0 Zn2 .9Mg1 .7Cu高强高韧铝合金沉积坯件 ,研究了喷射成形制备过程中各工艺参数对沉积坯件的成形性、显微组织、致密度的影响 ,确定了适当的工艺参数 ,研究了沉积坯件的热挤压及热处理工艺 ,对材料的组织进行了分析并对不同状态的材料性能进行了比较。研究结果表明 :当喷射成形工艺参数合理时 ,沉积坯件具有良好的成形性与致密度 ,在随后的热挤压过程中 ,通过较低的挤压比即可使材料达到全致密 ;通过对合金进行适当的热处理 ,材料的极限抗拉强度达到 810MPa ,同时延伸率保持在 8%～ 11% ,该材料是一种理想的轻质高强结构材料。