Al-Cu-Li-Mg合金時(shí)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(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，在鋁基體中會(huì)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(huì)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(guò)去由于表征手段的限制，而且時(shí)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(wèn)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(wèn)題有望得到解決。
　　本文針對(duì)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(chǎng)像(HAADF)等技術(shù)，輔以第一性原理計(jì)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(duì)該合金在單級(jí)時(shí)效以及引入自然時(shí)效的雙級(jí)時(shí)效過(guò)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(duì)工藝和性能之間關(guān)系的理解。
　　論文的主要研究?jī)?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(jí)時(shí)效熱處理過(guò)程中晶內(nèi)納米析出相的變化規(guī)律，并分析了時(shí)效溫度不同時(shí)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(jí)時(shí)效過(guò)程中，峰值時(shí)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(shí)效溫度的升高這兩種析出相的直徑逐漸增加。145℃峰值時(shí)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(shí)效的強(qiáng)化相是δ'-(θ')-δ'共生相、σ相、GPB和T1相，過(guò)時(shí)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(jì)算對(duì)合金在165℃單級(jí)時(shí)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(shí)效過(guò)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(cè)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(guò)程分為三步。從GPT1區(qū)向T1相轉(zhuǎn)變過(guò)程中各個(gè)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(shí)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(gè)單胞厚度的T1相組成，但這兩個(gè)T1相并不是并排排列，而是錯(cuò)位<112>Al/6，并且這兩個(gè)T1相之間的距離剛好等于一個(gè)(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(jì)算方法，計(jì)算得出T1相變體的形成焓為-32.7kJ/mol·atom-1，說(shuō)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(guò)剩的區(qū)域，為了消耗多余的Li原予，T1相通過(guò)其變體增厚。這兩種增厚機(jī)制均要經(jīng)過(guò)GPT1區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)門1相的過(guò)程。
　　(5)采用HAADF-STEM技術(shù)和維氏硬度測(cè)試方法研究了自然時(shí)效對(duì)合金微觀組織

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