噴射沉積Al-Zn-Mg-Cu合金凝固行為及熱加工過(guò)程組織演變.pdf

1、快凝及深過(guò)冷條件下的固液界面穩(wěn)定性及晶體生長(zhǎng)形態(tài)演變，是凝固領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)受到廣泛關(guān)注?；诳炷椒óa(chǎn)生的組織細(xì)化，為材料性能提升提供了最直接的途徑，具有明確的實(shí)際意義。對(duì)于快凝晶體生長(zhǎng)形貌演變，雖然凝固理論早已預(yù)測(cè)了絕對(duì)穩(wěn)定平界面的存在，但迄今仍缺乏充足的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本文通過(guò)對(duì)氣霧化鋁合金粉末微觀組織的電子顯微表征，對(duì)不同粒徑粉末凝固形態(tài)隨冷卻速度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。獲得了快凝胞晶生長(zhǎng)向平面晶生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。繼而，分析了

2、氣液比(G/M)對(duì)噴射沉積Al-Zn-Mg-Cu合金凝固組織的影響。采用單軸熱壓縮試驗(yàn)，研究了合金的高溫變形行為及組織演變特點(diǎn)；根據(jù)建立的熱加工圖，制備了噴射沉積合金薄壁擠壓管。闡述了合金等溫時(shí)效硬化特征，結(jié)合對(duì)晶內(nèi)析出的高分辨觀察及時(shí)效過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，確定了合金的最佳熱處理工藝；獲得了強(qiáng)度及塑性均較高的鋁合金材料。
　　通過(guò)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金粉末凝固組織的表征證實(shí)：隨粉末粒徑減小，α-Al的凝固形態(tài)發(fā)生由細(xì)枝胞晶向無(wú)

3、特征平面晶的轉(zhuǎn)變。在粒徑1μm以下粉末中，可獲得全平面晶凝固組織，并伴有溶質(zhì)的完全捕獲。在霧化Al-Fe-V-Si合金粉末中亦觀察到了相似的特征。分析上述的胞-平轉(zhuǎn)變現(xiàn)象與快凝理論中所預(yù)測(cè)的絕對(duì)穩(wěn)定平界面凝固相對(duì)應(yīng)。理論計(jì)算得到直徑d=0.5μm熔滴的凝固速度為v=3721ms-1，與熱擴(kuò)散控制的絕對(duì)穩(wěn)定臨界速度vab處于同一數(shù)量級(jí)，該結(jié)果進(jìn)一步支持了平界面絕對(duì)穩(wěn)定存在的可能。TEM同時(shí)表明，快凝效應(yīng)促進(jìn)了粉末晶間亞穩(wěn)i-Mg32(Al

4、Zn)49準(zhǔn)晶相的生成，發(fā)現(xiàn)了一種六方結(jié)構(gòu)的新晶態(tài)相(a=0.281nm、c=0.459nm，EDS名義成分Al81.29Zn10.99Mg5.69Cu2.03)。
　　對(duì)噴射沉積Al-Zn-Mg-Cu合金凝固組織的研究發(fā)現(xiàn)：高氣液比下(G/M=3.5)，合金中鑲嵌有遺傳自粉末的破碎枝晶及i-Mg32(AlZn)49準(zhǔn)晶相；中氣液比下(G/M=2.3)，可獲得理想的細(xì)小α-Al等軸晶組織，混合以晶間斷續(xù)的MgZn2第二相；低氣液比

5、下(G/M=1.4)，等軸晶粗化，同時(shí)在晶間出現(xiàn)bcc-Mg32(AlZn)49晶態(tài)共晶相。發(fā)現(xiàn)微量合金元素在沉積合金中形成多種金屬間相并對(duì)凝固組織構(gòu)成影響。Sc、Zr形成L12有序結(jié)構(gòu)的Al3(ScZr)初晶，其在晶間分布有利于低熔點(diǎn)共晶相的細(xì)化；Fe形成針狀的Al23CuFe4初晶相，其長(zhǎng)軸方向?yàn)閇001]。沉積晶間發(fā)現(xiàn)一種富Cr、Mn的底心正交結(jié)構(gòu)新相(a=4.434nm，b=2.542nm，c=1.270nm，EDS名義成分Al

6、68.07Mg13.07Zn9.22Cr3.93Mn3.76Cu1.95)。
　　基于熱壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲知沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金熱變形流變應(yīng)力，變形溫度及應(yīng)變速率之間遵從Arrhenius關(guān)系。合金在高Zener-Hollomon參數(shù)(Z值)下變形，主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)?；貜?fù)亞晶界長(zhǎng)度分?jǐn)?shù)模型為：ln f DRV=1.190+0.114 ln Z；亞晶尺寸模型為：d DRV-1=0.0613 ln Z-0.628。

7、在低Z值下，主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，以連續(xù)和非連續(xù)再結(jié)晶兩種機(jī)制進(jìn)行.再結(jié)晶晶界長(zhǎng)度分?jǐn)?shù)模型為：ln f DRX=5.458-0.0761 ln Z(Z≤8×108)和ln f DRX=11.671-0.410 ln Z(Z>8×108)。建立了合金在真應(yīng)變0.7條件下的熱加工圖。結(jié)合微觀組織的分析和驗(yàn)證，確定合金理想的加工參數(shù)范圍是：溫度400～460℃，應(yīng)變速率0.05s-1~0.007s-1；以及450℃~460℃，應(yīng)變速率1s

8、-1~0.05s-1。在所示的最佳變形參數(shù)附近制備了組織狀態(tài)和加工精度良好的鋁合金薄壁擠壓管。
　　淬火沉積態(tài)Al-10.83Zn-3.39Mg-1.22Cu合金經(jīng)120℃/12h時(shí)效后出現(xiàn)峰值硬度，對(duì)應(yīng)η＇相為主強(qiáng)化相。固溶度增大兼之各缺陷密度升高，使得沉積合金較常規(guī)工藝合金峰時(shí)效時(shí)間縮短。時(shí)效動(dòng)力學(xué)研究顯示：析出長(zhǎng)大階段，析出相盤片半厚度h與時(shí)間 t平方根成正比( h2=0.216+0.0337t)；析出熟化階段，盤片半厚度

9、h與時(shí)間t三次方根成正比(h3=-2.863+0.133t)。析出相體積分?jǐn)?shù)Xr與時(shí)間的變化關(guān)系符合Johnson-Mehl-Avrami關(guān)系(Xr=0.0815[1-exp(-0.423t0.323)])。確定了Al-10.83Zn-3.39Mg-1.22Cu合金的最佳固溶及峰時(shí)效工藝：固溶470℃/1h+490℃/1h水淬+120℃/12h時(shí)效。獲得了抗拉強(qiáng)度816MPa、延伸率超過(guò)8％的優(yōu)異室溫拉伸性能，電導(dǎo)率為27.8%IACS