哈工大《JMST》,含稀土鉺的Al-Sc-Zr合金析出演化與力學性能!

析出相粗化導致强度和結構完整性急劇下降,傳統可熱處理鋁合金的熱穩定性和蠕變抗力限制在180℃。稀土和金屬元素的微合金化是提高Al合金效能的有效途徑。已有研究證實Al-Sc-Zr合金具有作為高熱穩定性/高强度材料的潜力,但由於Sc的成本高導致其應用受到限制。

在汽車應用中,對低密度、耐熱機器部件有著強勁的需求,這推動了高熱穩定性高强度鋁合金的開發。這對科學和科技都是新的挑戰,因為析出强化是傳統鋁合金中最常見的强化機制,而在鋁合金中出現的多數第二相是亞穩態的,在200℃時發生粗化甚至溶解。析出相粗化導致强度和結構完整性急劇下降,傳統可熱處理鋁合金的熱穩定性和蠕變抗力限制在180℃。囙此,開發兼具高熱穩定性和高强度的新型鋁合金十分重要。稀土和金屬元素的微合金化是提高Al合金效能的有效途徑。已有研究證實Al-Sc-Zr合金具有作為高熱穩定性/高强度材料的潜力,但由於Sc的成本高導致其應用受到限制。降低對Sc的依賴性,是打開Al-Sc-Zr合金應用潜力的一種途徑。稀土元素Er已經被證明是Al合金中一種有效的微合金元素,添加Er為開發高性價比的耐熱高强鋁合金提供了一種有效方法,但Er對等溫時效析出動力學影響的研究還不明確。

哈爾濱工業大學的研究人員探討了添加Er的Al-Sc-Zr合金等溫時效過程中析出相的演變與力學性能的關係,Er的加入顯著提高了高溫時效過程中的硬度,根據密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算,評估了相應的强化機制和Er微合金化對析出過程的影響。相關論文以題為“Correlation between precipitates evolution and mechanical properties of Al-Sc-Zr alloy with Er additions”發表在Journal of Materials Science & Technology。

論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.031

本研究中含Er成分為:Al-0.07Sc-0.2Zr-0.11Er;無Er成分為:Al-0.07Sc-0.2Zr(wt.%),相當於Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er和Al-0.04Sc-0.06Zr(at.%)。熔鑄成直徑70mm、高度100mm的圓柱錠,在640℃下進行固溶處理24h(水淬),這種狀態稱為淬火態(AQ),固溶後在300或400℃下時效20min-200h不等(水淬)。

研究發現含Er的合金表現出明顯的時效硬化,在Al-Sc-Zr合金中加入Er可以顯著提高析出相的形核速率,從而增强Al-Sc-Zr合金的時效硬化響應。這主要是由於Er具有較高的空位結合能。在300℃時硬化反應迅速,最終峰值硬度略高,在400℃時反應加速,峰值硬度新增40%,這是由於形成了高密度分佈良好的共格Al3(Er,Sc,Zr)納米級析出相,其直徑小於5nm。在峰值硬度處,Orowan繞過機制是兩種合金的主要强化機理。

圖1Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃時效(a)25h和(b)100h以及400℃時效(c)5h和(d)25h後的TEM圖

圖2 Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃時效不同時間後的APT結果

圖3 Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金在300℃時效不同時間(a-b)20min,(c-d)25h,(e-f)200h時的顯微組織圖

圖4 Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金400℃時效不同時間的顯微組織圖

(a-b)20min,(c-d)25h和(e-f)200h

圖5在300℃時效後,Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT結果

圖6在400℃時效後,Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT結果

兩種合金中的析出相均表現出基於L12晶格結構和立方-立方取向關係的複雜構型。在無Er合金中,出現了核/殼結構,即Al3(Sc,Zr)析出,形成富Sc核和富Zr殼,這些析出相在初始是一致的,尺寸較小。在400℃時效25 h後,晶格共格性降低,析出相直徑粗化至20-40 nm。在含Er合金中,在300℃時形成了核殼結構,在400℃時出現了明顯的Al3(Er,Sc,Zr)析出相的核/雙殼結構,由富Er的核、富Sc的內殼和富Zr的外層組成。

本文系統地研究了無Er和含Er Al-Sc-Zr合金在相對較高的溫度(300℃和400℃)下等溫時效後的力學硬度和微觀組織演變,DFT計算有助於理順Al-Sc-Zr(-Er)合金中觀察到的析出相結構和形成機制。2NN溶質-溶質相互作用有利於所有溶質原子,這是促進L12結構析出相的關鍵特徵。無Er合金和含Er合金中核/殼析出相和核/雙殼析出相的形成順序與溶質-溶質相互作用和擴散有關:在2NN位點上,Er與空位的吸引作用最强,溶質-溶質相互作用最强,而Zr的溶質-空位相互作用最弱。本文揭示了Er對Al-Sc-Zr合金時效硬化行為的有益影響,並為Al-Sc-Zr(-Er)合金時效處理的設計提供了指導。

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