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.

Al-Cu-Sc铝合金板材不同热处理状态下的组织和力学性能研究

以厚度为3 mm的Al-Cu-Sc铝合金板材为研究对象,利用EBSD技术对人工时效态(T6态)和退火态(O态)板材的微观组织进行分析;对T6态、O态、W态以及经过预拉伸变形和人工时效处理得到的T8态板材在室温下进行单向拉伸测试,研究不同热处理状态下板材的力学性能变化规律。结果表明:T6态和O态板材中都存在[001]方向的织构,且O态板材的织构更强。T6态板材的晶界以大角度晶界为主,O态板材的晶界以小角度晶界为主,且其晶粒尺寸远大于T6态板材。T6态和W态Al-Cu-Sc板材轧制方向与横向强度基本一样,而O态板材轧向强度明显高于横向。O态板材的强度最低,T6态板材的塑性最差,而W态板材具有最小的屈强比和最大的应变硬化指数n值,成形性能最好。此外,经过预拉伸和人工时效后得到的T8态板材强度显著提升,当预拉伸变形量为5%和7%时,T8态板材抗拉强度超过500 MPa。

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%。

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。

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。

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。

退火工艺对Cu/Al复层材料界面影响的研究

采用纯铜/纯铝和纯铜/铝合金进行400℃温轧和退火热处理,并对得到的Cu/Al复层材料进行界面结合强度测试、界面金相显微组织分析和界面扫描电镜分析。结果表明:Cu/Al复层材料界面处Cu/Al中间相的形成需要一定的孕育期,其形成过程为:形核→核长大→沿界面横向连片生长→沿界面法线方向纵向生长;纯铜/纯铝复层材料最佳退火工艺为300℃×1 h,最大界面结合强度可达2.4 N/mm;而纯铜/铝合金为300℃×3 h,界面结合强度最大值为3.1 N/mm,保证了材料的成型性能,同时防止金属间化合物的生成;经较高温度的长时退火(500℃×5 h),纯铜/铝合金比纯铜/纯铝复层材料界面更容易形成脆性金属间化合物相,导致界面结合强度的降低,造成界面在剥离条件下的脆性断裂。

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。

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。

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)。

淬火冷却方式及宏观取向对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质不仅会以半共格的Al3Zr为核心形成粗大析出相,还会沿位错大量析出。此外,与水冷时效态相比,空冷时效态晶界相尺寸大幅增加,晶界无析出带显著宽化,不同宏观取向样品的强度和伸长率都明显下降。宏观取向对两种状态样品强度的差值影响较小,但对伸长率的差值影响较大。当拉伸方向与轧制方向成45°方向时,空冷诱导的伸长率下降幅度最小;当拉伸方向与轧制方向成90°时,下降幅度最大。

Cu-Al层状复合材料金属间化合物结构稳定性的第一性原理计算

铜铝层状复合材料在固液复合铸轧成型时,固态铜与液态铝在接触面发生界面反应生成的金属间化合物容易引发晶界脆性、晶间裂纹或弹性畸变致使其开裂而失效。因此,一个强而稳定的界面对于整个复合材料的结构强度至关重要。为深入了解界面金属间化合物的化学键合、晶体结构及稳定性,利用第一性原理对Cu-Al层状复合材料中常见的金属间化合物Al_(4)Cu_(9)、Al_(2)Cu、AlCu开展了热力学性能、力学性能和电子结构的相关计算。有效生成热数值表明,扩散初始阶段Al_(2)Cu相将在界面处最先生成,待Al_(2)Cu初生相形成后,将依次生成Al_(4)Cu_(9)、AlCu。Al_(2)Cu、Al_(4)Cu_(9)和AlCu均符合力学稳定性标准,对比它们的B/G值、泊松比和硬度,3种金属间化合物均为脆性相,其中Al_(2)Cu的脆性最大且硬度最高。通过对能带、态密度和Mulliken布居进行分析,发现金属键在Al_(2)Cu和AlCu化学键中具有更强的离子性特征,而在Al_(4)Cu_(9)化学键中具有更强的共价性特征,使得Al和Cu原子之间的相互作用更紧密,稳定性更强。

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。