Al-Cu-Li-Mg合金時效中納米析出相及演變規(guī)律研究.pdf

1、Al-Cu-Li鋁合金是重要的輕量化材料之一。具有低密度、高的比強(qiáng)度和彈性模量、優(yōu)良的低溫韌性和疲勞性能以及良好的抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)和航空航天設(shè)備上。在鋁合金中每加入1 wt.％的Li，合金的密度降低3％，彈性模量提高6％。加入少量的Cu、Mg、Ag等合金元素，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚阡X基體中會形成大量的納米尺度的強(qiáng)化相。熱處理工藝不同，析出強(qiáng)化相的種類、尺寸、數(shù)量會不同，從而導(dǎo)致合金的性能也出現(xiàn)差異。因此，從微觀結(jié)構(gòu)方

2、面理解合金的性能變化是至關(guān)重要的。然而過去由于表征手段的限制，而且時效早期析出相的尺寸都在1nm左右，所以結(jié)構(gòu)表征難度很大。因此，關(guān)于Al-Cu-Li合金中主要強(qiáng)化相的結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律的問題尚未完全解決。隨著材料表征技術(shù)的進(jìn)步，高分辨率的電子顯微鏡使得從原子尺度研究合金中析出相的演變規(guī)律變得可行，該問題有望得到解決。
　　本文針對Al-4.15Cu-1.15 Li-0.29M g(wt.％)鋁合金板材，采用新一代球差矯正透射電予顯

3、微鏡(TEM)，結(jié)合定量高分辨電子顯微學(xué)以及高角度環(huán)形暗場像(HAADF)等技術(shù)，輔以第一性原理計算，系統(tǒng)地研究了合金中主要強(qiáng)化相T1相的結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律，并對該合金在單級時效以及引入自然時效的雙級時效過程中微觀組織、晶內(nèi)強(qiáng)化析出相的變化情況進(jìn)行了研究，加深了對工藝和性能之間關(guān)系的理解。
　　論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)利用HAADF-STEM和傳統(tǒng)的高分辨電鏡結(jié)合電子衍射技術(shù)，系統(tǒng)研究了合金在80℃～200℃單

4、級時效熱處理過程中晶內(nèi)納米析出相的變化規(guī)律，并分析了時效溫度不同時納米析出相的種類及其和顯微硬度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)合金在80℃～135℃單級時效過程中，峰值時效狀態(tài)晶內(nèi)析出相主要是GP區(qū)以及δ'-(GP區(qū))-δ'共生相。GP區(qū)主要是單層的富Cu原子層結(jié)構(gòu)，也有少量的兩層Cu原子或者兩層Cu原子中間一層Al原子或者兩層Al原子的結(jié)構(gòu)，并且隨著時效溫度的升高這兩種析出相的直徑逐漸增加。145℃峰值時效狀態(tài)合金晶內(nèi)除了GP區(qū)以及δ'-(GP區(qū))

5、-δ'共生相之外，還有少量的GPT1區(qū)析出。165℃、180℃和200℃峰值時效的強(qiáng)化相是δ'-(θ')-δ'共生相、σ相、GPB和T1相，過時效狀態(tài)析出相粗化導(dǎo)致合金的硬度下降。
　　(2)利用HAADF-STEM技術(shù)和第一性原理計算對合金在165℃單級時效狀態(tài)下T1相的原子結(jié)構(gòu)以及演變規(guī)律進(jìn)行了研究。首次發(fā)現(xiàn)在時效過程中存在一種新的亞穩(wěn)相:T1相的前驅(qū)體，命名為GPT1區(qū)。采用先進(jìn)的原子成像技術(shù)（帶有 Cs-corrected

6、的球差矯正電鏡結(jié)合HAADF-STEM圖像模擬技術(shù)）和定量電子顯微學(xué)測定了T1相前驅(qū)相GPT1區(qū)的原子結(jié)構(gòu)。GPT1區(qū)與鋁基體完全共格，是兩層富Cu原子層取代鋁基體中的兩層Al原子層，形成慣習(xí)面為{111}Al的“三明治”結(jié)構(gòu)。其兩層富Cu原子層之間的距離為0.466nm，與T1相兩層富Cu層之間的距離(0.495nm)略有不同。GPT1區(qū)向T1相轉(zhuǎn)變的過程分為三步。從GPT1區(qū)向T1相轉(zhuǎn)變過程中各個析出相的形成焓分別為-6.8kJ/m

7、ol·atom-1、-19.0k J/mol·atom-1、-21.3 kJ/mol·atom-1、-32.2kJ/mol·atom-1，從能量角度證實GPT1區(qū)可以轉(zhuǎn)變成T1相。
　　(3)首次觀察到T1相的一種變體。該變體由沿著T1相c軸方向兩個單胞厚度的T1相組成，但這兩個T1相并不是并排排列，而是錯位<112>Al/6，并且這兩個T1相之間的距離剛好等于一個(111)Al的面間距。T1相變體可以獨(dú)立形核，也可以存T1相與鋁

8、基體界面處形核。采用第一性原理計算方法，計算得出T1相變體的形成焓為-32.7kJ/mol·atom-1，說明該變體可以形成。
　　(4)T1相有兩種粗化方式。一是在Li原子適量的區(qū)域，T1相沿著它的c軸方向逐漸增厚。二是在Li原子過剩的區(qū)域，為了消耗多余的Li原予，T1相通過其變體增厚。這兩種增厚機(jī)制均要經(jīng)過GPT1區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)門1相的過程。
　　(5)采用HAADF-STEM技術(shù)和維氏硬度測試方法研究了自然時效對合金微觀組織

9、和性能的影響。研究結(jié)果表明，自然時效7天對合金的再時效硬度產(chǎn)生負(fù)面影響，而自然時效60天產(chǎn)生正面影響，而且在180℃和200℃人工時效之前引入60天的自然時效能夠使到達(dá)峰值硬度的時間提前，并且峰值硬度保持的更久。自然時效60天的樣品再進(jìn)行180℃時效的析出過程為:GPⅠ+δ'-(GPⅠ)-δ'→GPB+σ+ GPT1+S→GPB+T1+S→T1+S。自然時效60天的樣品再進(jìn)行200℃時效的析出過程為:GPB+σ+GPT1+S→σ+T1+