稀土微合金化Al-Zn-Mg-Cu合金均匀性调控与变形中的微结构演变

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Al-Zn-Mg-Cu合金密度小、比强度高、韧性好和焊接性能优异,自问世以来一直得到广泛关注和深入研究。通过改变主要合金元素和调整热处理工艺的方法改善Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能已经研究非常成熟。微合金化成为进一步改善铝合金组织、提高其力学性能的最有前途的方法。文章通过添加0.2wt%的钪制备微合金化Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金,对合金进行均匀化退火和等径角挤压(ECAP)变形处理,研究合金铸态、均匀化后的组织的转变与合金元素分布和变形后的晶粒、位错变化和第二相析出特征。首先在Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中添加0.2wt%Sc制备合金,发现添加0.2wt%Sc有助于抑制枝晶偏析,减少非平衡共晶组织,细化铸态晶粒尺寸至55~80μm(占整体75%)。双级均匀化处理该合金后发现:晶界处分布的大量T(Al Zn Mg Cu)相在465℃下保温24小时后完全转化为S(Al2Cu Mg)相,温度提高到480℃保温24小时后,晶界处的S相消失,此时Zn、Mg、Cu元素在合金内部均匀分布,但仍有部分Cu元素由于少量的杂质相(Al7Cu2Fe)的存在而在晶界残留。均匀化后晶界出现粗大析出相(GBP)和宽度较大的无沉淀析出带(PFZ),合金内部析出大量弥散分布的尺寸约为40nm的L12型Al3Sc相,与α-Al基体保持完全共格,这些析出的第二相钉扎在晶界处或充当异质形核核心促使晶粒的长大并阻碍晶粒的粗化,使得平均晶粒尺寸达到40μm。与铸态下的硬度143.5HV相比,均匀化后的合金硬度达到181.2HV,提升了26%。ECAP变形导致试样出现难变形区与严重变形区。难变形区内晶粒尺寸基本不发生改变,但在晶界处残留较大的化合物。严重变形区内晶粒被明显压短,与均匀化处理后的晶粒相比,一道次变形后(90°转角挤压)的晶粒长轴基本不变而短轴缩短56%,呈现椭圆状;二道次变形后(按Bc路径进行)的晶粒短轴较一道次平均缩短31%,呈现柳叶片状且晶间粗大化合物明显减少。经过两道次的变形后合金晶粒内部析出尺寸为25nm圆球状的Al3(Sc,Zr)相、Al3Zr相、棒状η′相和η相,这些析出相弥散分布,对晶界和位错具有较强的钉扎作用,抑制晶粒的粗化和变形过程中的回复再结晶。此外,在ECAP的变形下合金内部位错密度不断累积,晶界取向小角度晶界占比减小,而大角度晶界占比增多,出现波浪条纹状位错集中在第二相之间,这些位错呈现为伯氏矢量大小相同但方向相反的异号位错。同时观察到多个亚晶或位错胞结构组成的大晶粒,具有极高的位错密度,部分析出相的内部产生不同深度的影纹和不同结构的层错,使之呈现网状分布。以上研究为后续的时效处理奠定基础,可为稀土化铝合金的综合性能提升提供一定的理论和技术支持。
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