热力耦合作用下Al-2.8%Cu-1.35%Li-0.11%Zr合金析出相演化和力学性能

通过TEM、HAADF-STEM和室温拉伸实验开展Al-2.8%Cu-1.35%Li-0.3%Mn-0.11%Zr合金在人工时效和蠕变时效状态下的析出相演化规律和力学性能研究。结果表明,160 ℃时效条件下,人工时效和160 MPa应力时效过程中合金中析出相数量均随时效时间的延长而增多,相同时效时间条件下应力时效状态合金T₁相数量较多,但其平均直径减小了约5~15 nm。这主要是因为外加应力增加了合金中的位错密度从而促进析出相析出。T₁相在时效析出过程中并未受外加应力的影响而沿某个方向择优析出,无明显的应力位向效应,这可能与T₁相具有更大的惯习平面变体上的形核与临界应力值有关。相比于人工时效,应力时效后合金的室温屈服强度和抗拉强度均增加,且在时效初期对屈服强度效果更为显著。      

高Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag(2139)合金时效析出行为研究

利用差示扫描量热法(DSC)研究了2139铝合金在时效过程中的相变行为和析出序列,并测试了合金不同状态下的硬度及电导率,利用透射电镜(TEM)研究了合金的微观组织特征.结果表明:2139合金在时效过程中,随着温度的升高,DSC曲线上出现3个放热峰,其峰值温度分别为171,230和276℃,分别对应着合金中的3个析出过程,即Cu原子的偏聚形成GP,Ω相在{111}<,Al>面上的析出和θ/θ相在{001}<,Al>的析出过程.合金的时效析出序列为:α<,sss>→GPzone,Mg-Ag cluster→Ω相→θ'相→θ相.在时效初期,由于固溶原子脱溶而降低了晶格畸变程度,从而使得电导率略有降低,而后随着时效温度的升高,析出相的数量和种类也越来越多,电导率逐渐升高;合金的硬度随着时效温度的升高而升高,但当温度达到330℃时,由于析出相发生粗化和长大而导致硬度降低.     

预变形Mg-Nd合金时效析出行为的原子尺度

使用球差校正的高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)系统研究了预变形Mg-2.0%Nd(质量分数)合金250℃等温时效2 h后的时效析出行为.结果表明,预变形产生的位错促进了第二相的形核,导致高密度且有别于传统沿■惯习面均匀分布的亚稳析出相的形成.原子尺度的表征结果表明,合金内部形成的析出链主要由β_S′相和β₁相组成.此外,析出链中还含有少量的β″和β_H′相,以及β_L′相.这些片状或透镜状的β_S′和β₁相与α-Mg基体完全共格,且均具有一个■的惯习面,但沿■3个方向非均匀分布.这些结果有望为形变调控合金的析出行为,提升合金力学性能提供理论指导.     

Mg对Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金Mg-Ag共聚原子团和Ω相形成及性能的影响

采用拉伸试验、透射电镜(TEM)及三维原子探针(3DAP)方法,研究了Mg对Al-Cu-Mg-Mn-Ag合金中Mg-Ag共聚原子团和Ω相的形成及性能的影响。拉伸性能结果表明,相比0.4%Mg和1.2%Mg的合金,含0.8%Mg的合金具有最高的抗拉强度。TEM分析结果表明,0.5h时效状态下,0.8%Mg的合金析出大量θ'相,而其他两种合金只析出了GP区;在2h时效状态下,0.8%Mg的合金析出了最多的Ω相。3DAP分析结果表明,在0.5h时效态下,含0.8%Mg的合金具有最大的Mg-Ag(88.3×10~(22)/m~3)和Cu-Mg (51.0×10~(22)/m~3)原子团数量密度。研究表明,含0.8%Mg的合金形成了最大数量密度的Mg-Ag原子团簇,从而析出了最多的Ω强化相及获得最大的强化效应。     

热暴露对不同时效处理的铝锂合金微观组织与性能的影响

采用扫描电镜、X射线衍射、透射电镜和硬度测试等方法,研究热暴露对不同时效态2A97铝锂合金微观组织与性能的影响。结果表明：T6和T8态合金经热暴露后物相的种类及形貌变化规律相似,随热暴露温度升高,合金中的θ?相(Al₂Cu)粗化且数量减少,T₁相(Al₂CuLi)向平衡相转变,合金热稳定性变差。与T8态不同的是,T6态合金中的强化相除T₁相和θ?相外,还有立方相,但该相的强化效果远低于T₁相和θ?相。立方相经200℃热暴露后,数量增多,经300℃热暴露后,回溶进入基体。故在低温热暴露后T6态合金的热稳定性优于T8态,但在高温热暴露后两种时效态合金的热稳定性基本相当。T8态合金的硬度显著高于T6态,经低温热暴露后,T8态合金的硬度下降幅度大于T6态,但两种合金高温热暴露后的硬度下降幅度基本一致。     

铝锂合金高强化成分设计

总结了铝锂合金高强化成分设计的发展过程,综合了课题组主合金元素Cu、Li含量,微合金元素Mg、Ag、Zn及稀土(RE)元素等对Al-Cu-Li系铝锂合金力学性能及析出相影响规律的研究结果。铝锂合金中Cu/Li比例较低时有利于时效时δ′相(Al3Li)析出,但不利于强度的提高;而Cu/Li比增加则有利于时效时T1相(Al2CuLi)及θ′相(Al2Cu)析出,从而有效提高铝锂合金的强度。微合金化元素Mg能有效促进T1相形核析出,加速铝锂合金时效响应速度,提高T1相析出密度,进而提高铝锂合金强度;Mg+Ag及Mg+Zn复合添加能进一步促进T1相析出,提高T1相分布密度;Mg+Ag+Zn三元复合微合金化具有最好的促进T1相形核析出及提高铝锂合金强度的效果。在高Cu/Li比铝锂合金中添加微量RE元素将导致时效时含Cu强化相T1相及θ′相减少,降低铝锂合金强度。铝锂合金高强化成分设计的思路应是在Mg、Mg+Ag、Mg+Zn或Mg+Ag+Zn微合金化基础上,提高Cu+Li总量并保持较高Cu/Li比。     

两种铝锂合金薄板析出相及动静态性能比较

采用常规拉伸性能测试、中心裂纹疲劳裂纹扩展速率测试及透射电镜分析研究了2A97铝锂合金1.5 mm厚度薄板T3态(6%冷轧预变形后自然时效)及T8态(6%冷轧预变形+150℃)时效时拉伸性能、疲劳裂纹扩展速率和微观组织的演变,并与2050铝锂合金薄板性能进行了比较。结果表明:2A97铝锂合金冷轧薄板T3态时效时析出大量非常细小且共格的δ′相,合金具有中强(抗拉强度约427 MPa)耐损伤(ΔK=30 MPa·m~(1/2)时,疲劳裂纹扩展速率da/dN≈1.0×10~(-3) mm·cycle~(-1))的性能特性。而T8时效(12～40)时合金具有强度高(抗拉强度大于560 MPa)的性能特性。T8时效时强化相包括T1相(Al_2CuLi),θ′相(Al_2Cu)和δ′相(Al_3Li);欠时效时为一定数量δ′相及θ′相和大量细小的T1相;峰时效及过时效阶段, T1相逐渐长大,δ′相逐渐减少甚至消失,θ′相粗化且数量下降。2050铝锂合金薄板T3态时效时未发现时效析出相,其疲劳裂纹扩展速率与2A97铝锂合金相当,但强度明显较低; T8态时效时强化相T1相及θ′相数量少于2A97铝锂合金,因而其疲劳裂纹扩展速率相对较低,但强度也显著低于2A97铝锂合金。     

Er微合金化对1441铝锂合金微观组织和力学性能的影响

采用铸锭冶金法制备了不同含量稀土元素Er的Al-Cu-Li合金。利用拉伸力学性能测试、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及元素能谱分析(EDS)等分析测试手段,研究了Er的添加对Al-Cu-Li合金T8时效状态下的微观组织和力学性能影响。结果表明,合金在峰时效下的强度较未添加Er元素的Al-Cu-Li合金略有下降,添加0.3%Er(质量分数)的Al-Cu-Li合金的T8态峰时效屈服和抗拉强度均下降了30 MPa;添加Er元素的Al-Cu-Li合金的主要强化相仍然为δ'相(Al3Li)及S'相(Al2Cu Mg),Al-Cu-Li合金的Er元素未影响其时效析出响应速度;添加Er微合金化合金峰时效下内部有大量的δ'相和少量的S'相,而未添加Er元素的Al-Cu-Li合金峰时效下有大量的δ'相和大量的S'相,添加Er元素使峰时效态下S'相数量减少;Al-Cu-Li合金从始至终没有发现Al3Er强化相的存在证据;添加稀土元素Er,在凝固态时即可形成Al8Cu4Er相粒子,这些粒子直至均匀化和固溶热处理时仍未完全溶解于固溶体中;断口形貌分析显示添加Er元素使Al-Cu-Li合金的沿晶脆性断裂倾向增大,佐证了合金强度下降的力学性能表现。     

Mg-Zn基合金中非周期性析出相的原子尺度

时效析出相的结构是主导合金强度提升的关键,因此从原子尺度认识析出相的结构出发,有助于更好地设计新合金.使用球差校正的高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)结合选区电子衍射(SAED)技术系统表征了峰时效Mg-Zn(-Al)系合金中的非周期性析出相结构.研究结果表明,Mg-8Zn二元合金等温时效析出的棒状相是由72°菱形和72°等边六边形结构单元在(0001)_α面上沿5个方向拼砌形成的,具有带Laves晶体特征的纳米畴结构.Al的添加可以显著改变Mg-Zn合金的时效析出行为,Mg-8Zn-4Al合金中析出了两种非周期性结构：一种是由36°菱形、72°菱形和72°等边六边形等结构单元自适应组装形成的块状析出相,其伪10次轴完全平行于[0001]_α方向;还有一种是菱形的三维二十面体准晶相,其5次轴完全平行于[0001]_α方向.这些原子尺度的相结构信息不仅可以增进人们对凝聚态物质结构的认识,还可为设计高强度的ZK,AZ系列镁合金提供理论依据.     

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(Al₂CuLi)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’-Al₂Cu和S-Al₂CuMg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(Al₆Cu(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。     

时效工艺对2297铝锂合金组织与力学性能的影响

对热轧态2297铝锂合金进行530℃/1 h固溶处理后立即水淬,然后在不同温度(150~180℃)和时间(0~160h)条件下进行时效热处理,利用透射电镜观察合金的微观组织,并测定合金的抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.2)和伸长率(δ),研究时效温度与时间对2297铝锂合金组织与性能的影响。结果表明:合金的强度随时效时间延长而升高,达到峰值后趋于稳定。随时效温度升高,合金强度达到峰值的时间逐渐缩短,峰值强度先升高后降低,塑性则随时效时间延长或时效温度升高而逐渐下降。时效温度为160℃时,时效初期合金的主要析出相为δ′相,峰时效态合金是T_1相、θ′相和δ′相共同强化,过时效态合金的主要析出相为T_1相。时效温度为180℃时,合金的主要析出相为T_1相,θ′相和δ′相的数量非常少。     

多级断续时效对Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金组织和性能的影响

采用硬度测试、透射电镜(TEM)和差示扫描量热分析(DSC)等方法,研究了多级断续时效对高Cu/Mg比Al-Cu-Mg-Ag-Zr合金组织和性能的影响。结果表明,断续时效第二级低温时效对合金硬度无明显影响,第三级高温时效对硬度影响较大,随着时间的延长,硬度先增大且在160℃时效20 h左右达到最大值后减小。透射电镜和DSC证明在断续时效的不同阶段,合金的沉淀析出特征:在第一阶段高温时效中,Ω相和θ'相同时析出,两种析出相的数量无明显差别;在第二阶段低温时效中,θ'相持续析出,无明显的Ω相析出特征;在第三阶段高温再时效中,Ω相和θ'相同时析出长大,Ω相为主要强化相,θ'相相对较少。     

对铝—锂合金薄板应变时效的研究

本文主要研究了2091合金薄板在预变形8%和12%,150℃和170℃不同时效时间下的组织和性能.随时效时间延长,时效温度升高,预应变增加,强度增加而塑性下降;时效初期合金主要断裂形式为穿晶断裂,随时效时间延长,沿晶断裂比例增大,这也是塑性下降的主要原因;时效时间延长,温度升高和预应变增加,δ’相析出增多长大,时效后期的s’相也析出增多,成为合金强化的主要原因;时效后期的S’相、共面滑移带和无析出区(PFZ)共同作用使塑性曲线下降平缓.     

冷变形及时效工艺对TB8钛合金组织及性能影响的研究

利用金相显微镜(OM), X射线衍射仪(XRD)及差示扫描量热法(DSC)等分析方法,研究了低温时效技术对冷变形后TB8钛合金显微组织和硬度的影响。结果表明:随着变形程度增加合金位错密度不断提高,当冷变形量为20%和40%时,基体晶粒发生塑性变形,晶粒内部产生位错滑移并缠结形成晶内剪切带,同时少量晶粒在晶界处产生破碎现象,并伴有孪晶现象发生,当变形量达到60%时β晶粒碎化现象明显;将变形量为20%的试样经320℃/0.5 h低温时效处理后未发现析出相,当温度升到380℃/1 h时合金中发生了明显的β→α相转变;保温时间影响析出相的数量和尺寸,随着时效时间增加ω相析出量增多并发生长大,合金硬度增加;相对于正常预时效,一定程度的冷变形影响ω相的数量及分布。冷变形低温时效技术使ω相析出和分布更加均匀弥散,可以为后续α相析出提供大量形核质点,起到均匀化晶粒的作用,经冷镦+时效后的TB8钛合金具有更好的综合力学性能。     

回归再时效对超高强铝合金力学性能及组织的影响

在传统的回归再时效(retrogression and re-aging,RRA)工艺(峰时效)基础上降低预时效或再时效温度,对Fe和Si杂质含量高的超高强Al-Zn-Mg-Cu合金挤压棒材进行RRA处理,通过拉伸性能和疲劳性能测试以及扫描电镜和透射电镜观察,研究RRA工艺对合金力学性能与组织的影响。结果表明:降低预时效或再时效温度都可明显提高该合金的塑性和抗疲劳损伤性能,略微降低合金的抗拉强度。采用峰时效温度(120℃)RRA处理后的合金,晶内的主要析出相为尺寸较大的η′相,不能被位错切割,合金强度较高(674 MPa),但塑性和抗疲劳损伤性能差,伸长率为11.1%,最终应力强度因子幅值ΔK=26.8 MPa·m1/2;降低时效温度可增加析出相中GP区粒子的比例,减小η′相的尺寸,从而提高塑性变形能力以及抗疲劳损伤性能。     

时效及预拉伸变形对喷射成形2195铝锂合金性能和组织的影响

采用透射电子显微镜、拉伸试验等分析检测手段研究了用喷射成形2195铝锂合金铸锭挤压型材的预拉伸变形工艺和热处理工艺。结果表明,当预拉伸变形达到3%时,工艺能够满足型材力学性能的要求,型材的时效主要析出强化相为T1相、δ′相和θ′相。     

Al-Li合金断裂韧性的研究

研究了时效工艺对一种高强高模Al-Li合金断裂韧性的影响.研究结果表明,时效前的预时效或预变形可促进T_1相析出,从而改善合金的断裂韧性,但在过时效状态,预时效或预变形的有利影响减弱.为获得高的断裂韧性.时效时应避免粗大晶界平衡相的析出和晶界无析出带变宽.依据组织观察结果,讨论了时效制度、微观组织和断裂韧性之间的关系.     

时效制度对1441Al-Li合金抗腐蚀性能的影响

对固溶态1441Al-Li合金板材分别进行T6时效,以及5%冷轧预变形后再进行150℃时效,即T8时效处理,通过晶间腐蚀(IGC)、剥落腐蚀(EXCO)实验、极化曲线测试及透射电镜(TEM)分析,研究时效制度对1441铝锂合金的室温抗晶间腐蚀性能、抗剥落腐蚀性能及微观组织的影响。结果表明,合金经T6或T8时效处理后,随时效时间延长,合金微观组织由欠时效的晶内析出均匀的δ′相,变为晶内析出δ′相和S′相,以及沿晶界析出平衡相δ相和S相,因此合金抗腐蚀性能顺序为欠时效峰时效过时效。与T6时效态相比,经T8时效处理后,晶内析出的δ′相和S′相的数量增加、尺寸减小、分布均匀;同时,沿晶界析出的δ相和S相数量减少,PFZ变窄,合金的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀能力提高。在3.5%NaCl溶液中进行的极化曲线测试表现出相同的结果。     

双级形变时效对铝合金电工圆杆组织及性能的影响

采用抗拉强度、导电率性能测试和X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析方法研究双级形变时效对Al-B电工圆杆组织和性能的影响。结果表明:经双级形变时效处理后,合金的导电率和抗拉强度随预时效温度的升高呈先升后降趋势,且预变形量越小,材料的抗拉强度峰值出现越缓慢,预变形量过大时材料的导电率和抗拉强度指标下降;析出相与基体保持共格关系,呈弥散分布,在STEM模式下结合傅里叶交换(FFT)衍射花样可确定为强化相θ'相。通过预变形32%+预时效110℃×2 h+终变形83%+终时效190℃×6 h处理,合金的抗拉强度达到181 MPa,导电率为58. 5%IACS,延伸率为8%,与单级形变时效(变形量83%+时效190℃×6 h)对比,其导电率和抗拉强度都有较大提升,综合性能较佳。     

形变热处理对7075铝合金组织和性能的影响

研究了形变热处理对7075合金组织和力学性能的影响。结果表明：形变热处理工艺可大幅提高合金板材的强度,且合金板材保持了较好的塑性。金相观察发现,预时效析出的沉淀相可为合金板材冷变形后的终时效强化相均匀析出的优先成核提供条件;形变处理引入大量的位错,促进了终时效时高密度均匀细小过渡强化相η/的析出。