Al-Zr-RE(Yb-Y)合金中L12結(jié)構(gòu)相的時效析出機(jī)制與作用.pdf

1、鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、容易加工、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天與電力工業(yè)等領(lǐng)域。隨著航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展，提高鋁合金的高溫性能成為了材料領(lǐng)域備受關(guān)注的課題。Al-Zr合金時效過程中析出L12結(jié)構(gòu)Al3Zr相，析出相在高溫下動力學(xué)穩(wěn)定，具有析出強(qiáng)化和抑制再結(jié)晶的作用，在發(fā)展耐熱鋁合金方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。然而，Zr在α-Al中緩慢的擴(kuò)散速率使Al3Zr析出遲緩，限制了析出相的體積分?jǐn)?shù)及合金性能的提高。此外，Z

2、r在凝固過程中的微觀偏析導(dǎo)致時效后Al3Zr在基體中分布不均勻，析出相貧化區(qū)對合金的強(qiáng)度和耐熱性不利。因此，提高Al-Zr合金性能的關(guān)鍵在于如何加速Al3Zr析出動力學(xué)過程并改善析出相在合金中的分布，減小或消除析出相貧化區(qū)。
　　本文采用稀土元素RE(Yb或Y)作為Al-Zr合金微合金化元素，通過促進(jìn)析出相的形核析出，形成彌散分布的L12結(jié)構(gòu)析出相Al3(Zr,RE)，以增強(qiáng)合金強(qiáng)度和耐熱性能，為開發(fā)新型 L12相強(qiáng)化耐熱鋁合金提

3、供理論指導(dǎo)。采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高分辨電鏡(HREM)和三維原子探針(3DAP)等結(jié)構(gòu)分析手段以及維氏顯微硬度和電導(dǎo)率測量等測試手段，結(jié)合第一性原理計(jì)算研究了Al-Zr-RE(Yb/Y)合金中L12結(jié)構(gòu)相的時效析出機(jī)理，分析了析出相對合金強(qiáng)度與再結(jié)晶行為的影響規(guī)律。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1) Al-Zr-Yb合金中Al3(Zr,Yb)的析出機(jī)制與演變規(guī)律。Al-0.08Zr-0

4、.03Yb(原子分?jǐn)?shù)at％，下同)中時效初期形成的Al3Yb促進(jìn)Zr的時效析出，形成納米級核心－外殼結(jié)構(gòu)Al3(Zr,Yb)復(fù)合相，合金在等時時效過程中表現(xiàn)了雙峰時效強(qiáng)化行為。Al3Yb在100℃與150℃之間析出，使合金在300℃達(dá)到第一個時效強(qiáng)化峰。隨著時效溫度的提高，在Al3Yb外圍形成了成分約為Al3(Zr0.6Yb0.4)的富Zr外殼，使合金在475℃達(dá)到第二個時效強(qiáng)化峰，在高溫下保持良好的析出強(qiáng)化效果。
　　Zr和Yb

5、元素在Al3(Zr,Yb)析出相形核與長大過程存在協(xié)同效應(yīng)。一方面，Yb促進(jìn)Zr的析出。時效初期形成的Al3Yb析出相作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)Al-Zr固溶體的分解。另一方面，Zr減緩了Al3Yb的析出和粗化。在時效初期，固溶體中的Zr對 Yb的吸引作用延緩了Al3Yb析出相的形核和長大；隨著時效進(jìn)行，大量 Zr元素偏聚于Al3Yb/α-Al界面形成富Zr外殼，有效阻礙了Al3Yb核心的粗化并增大了析出相的臨界共格轉(zhuǎn)變半徑。
　　(

6、2)Al-Zr-Y合金中Al3(Zr,Y)的析出機(jī)制與演變規(guī)律。Al-0.08Zr-0.025Y時效初期不單獨(dú)形成L12結(jié)構(gòu)Al3Y析出相，α-Al晶格中Y通過與2NN位置Zr的相互吸引作用促進(jìn)L12結(jié)構(gòu)Al3(Zr,Y)的形核，Al3(Zr,Y)析出相不具有核心－外殼結(jié)構(gòu)。Al-0.08Zr-0.025Y合金在500℃等溫時效1h后即形成Al3(Zr,Y)析出相，而Al-0.08Zr合金在時效3h后才生成Al3Zr析出相，這是由于Y加

7、入Al-Zr體系后有利于增加Zr-Y原子對周圍的空位濃度，降低Zr在Al中的擴(kuò)散激活能，加速Zr的擴(kuò)散過程，從而促進(jìn)Zr的析出并加速了Al3(Zr,Y)的析出動力學(xué)過程。
　　(3) Al-Zr-RE(Yb/Y)合金的析出強(qiáng)化和再結(jié)晶行為。在400℃等溫時效時，Al-0.08Zr合金中Al3Zr析出緩慢，析出強(qiáng)化不明顯；添加0.025%Y和0.05%Y的Al-0.08Zr合金硬化速率加快，并在高溫下保持穩(wěn)定；添加0.03%Yb的A

8、l-0.08Zr合金析出強(qiáng)化速率最快，時效10h后即達(dá)到雙峰時效強(qiáng)化的第二個硬度峰，延長時效時間至750h硬度基本保持不變，具有明顯的析出強(qiáng)化和高溫穩(wěn)定性。添加0.01%Yb使Al-0.08Zr時效峰值硬度提高約16%，遠(yuǎn)高于添加0.01% Y的3%，這是由于與Al3Zr和Al3(Zr,Y)相比，Al3(Zr,Yb)半徑最小，數(shù)量密度最大，在高溫下有效強(qiáng)化了Al-Zr-Yb合金。
　　添加0.025%Y和0.03% Yb均提高了A

9、l-0.08Zr合金的再結(jié)晶溫度，而添加0.05%Y則降低了Al-0.08Zr合金的再結(jié)晶溫度。Y含量不同的Al-0.08Zr合金再結(jié)晶溫度主要取決于第二相的尺寸與分布。在Al-0.08Zr中添加0.025%Y生成了細(xì)小彌散的納米尺度Al3(Zr,Y)析出相，減小了析出相貧化區(qū)，對位錯和亞晶界的釘扎作用增強(qiáng)，從而提高再結(jié)晶溫度；Y含量達(dá)到0.05%時盡管析出相分布同樣得到改善，然而大量微米尺度共晶 Al3Y成為再結(jié)晶晶粒的優(yōu)先形核區(qū)域，