韓國科技大學《JMST》Ag、Sc微量添加對過時效Al-Zn-Mg-Cu合金析出的影響
2024-06-24 15:05:44
作者：材料學網 來源：材料學網
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導讀:添加微合金化對控制鋁合金析出相的特征起著重要作用。本文通過差示掃描量熱法、透射電鏡和原子探針層析成像研究了Ag和Sc微合金化對Al-Zn - Mg-Cu合金熱穩定性的影響。結果表明，Ag和Sc的加入通過直接(Mg-Ag相，析出相的原型)或間接前驅體(Al2Sc相，析出相的組成)的形成，增加了熱處理過程中形成的η-MgZn2型納米析出相的數量密度。此外，Ag和Sc元素能有效地阻止η析出相的粗化，促進細η析出相的高密度分布，提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的熱穩定性。Ag的加入特別提高了合金的熱穩定性，因為Ag原子通過阻礙Zn向析出相的擴散直接阻止了η析出相的粗化。相反，Sc的加入減少了Al基體中的溶質，間接阻止了η析出相的粗化，使得大量析出相的生長受到限制。因此，Ag的加入通過防止過時效過程中析出相的粗化來改善析出強化。
Al - Zn - Mg - Cu 7xxx系列合金是一類重要的航空航天合金，由于熱處理形成的納米析出物具有高比強度而被用作結構材料。Al - Zn - Mg - Cu合金的析出順序為:過飽和固溶體(SSS)→溶質空位團簇→ginier - preston (GP)區(I, II)→η′→η。溶質-空位團簇是由溶質原子與沉淀初始階段的淬火空位結合形成的，并且已經被認為是沉淀的成核位點，控制著沉淀動力學。GP區域(I, II)是聚類的初始結果，與Al矩陣具有相干界面。GP區(I)為富鎂團簇，GP區(II)為富鋅層，其Zn/Mg原子比分別為~ 1.0和1.35 ~ 1.40[1,4,8 - 11]。亞穩六方η′相(P63/mmc;a = 0.496 nm, c = 1.402 nm)[8]為Mg2Zn5-xAl2+x型析出物，具有與Al矩陣的相干或半相干界面。穩定的六方η相(P63/mmc;a = 0.522 nm, c = 0.857 nm)為MgZn2型析出物，與Al基體具有非共格界面。η′析出有利于峰值時效時的最大強化;隨著時效的進行，Al - Zn - Mg - Cu合金的強度逐漸降低，形成穩定的η相。由于η析出物的熱穩定性較低，在持續的熱暴露下，η析出物的尺寸增大，使力學性能惡化。微合金化是控制η析出物特征(即形貌、數量密度和尺寸)的有效方法，在提高航空航天零件和電動汽車電池等高溫應用的熱穩定性方面發揮著重要作用。在7xxx系列鋁合金中加入Ag作為微合金化元素，通過為析出相提供成核位點，增加析出相的數量密度，從而提高析出強化。在本研究中，韓國材料科學研究院聯合韓國科技大學研究了溶質態Ag和Sc對Al-Zn-Mg-Cu合金在相對長時間熱暴露下析出和熱穩定性的影響，通訊作者為Hyeon-Woo Son，第一作者為Yong-You Kim。本研究不僅為長時間人工時效后Ag微合金化效應的研究提供了新的信息，而且為Sc微合金化在Al-Zn-Mg-Cu合金中的作用提供了新的認識。相關研究成果以“Effects of Ag/Sc microadditions on the precipitation of over-aged Al–Zn–Mg–Cu alloys”發表在Journal of Materials Science & Technology上https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224006017
圖1 (a) AA7075、(b) Ag改性和(c) Sc改性合金的平衡熱力學計算結果
圖2 AA7075合金、(b) Ag改性和(c) Sc改性合金在480℃固溶處理4小時的SEM顯微圖
圖3 (a) 200℃人工時效過程中AA7075、Ag改性和Sc改性合金的顯微硬度和電導率變化
圖4 (a)時效0.16 h的AA7075、Ag和Sc改性合金中Zn - Mg - Cu團簇和(b)時效0.16 h的Ag改性合金中Mg - Ag和Zn - Ag團簇的APT重構。Ag原子在Mg - Ag團簇中比在Zn - Ag團簇中觀察到更多
圖5 Al、Zn、Mg、Cu和Ag/Sc配對的部分徑向分布函數(p-RDFs)結果基于時效0.16 h的Ag改性合金(a) Mg定心和(b) Zn定心，以及時效0.16 h的Sc改性合金(c) Mg定心和(d) Zn定心
圖9 APT重建 (a) AA7075、(b) ag改性合金和(c) sc改性合金時效24 h的7 at % Zn等濃度表面。(d) AA7075、(e) ag改性合金和(f) sc改性合金時效24 h的析出相濃度分布圖相近直方圖
圖12 (a)含銀細、粗η析出相簇圖。(b)根據析出相中Ag濃度的析出相半徑分布;(c)根據時效24h Ag改性合金中析出相半徑的(Zn+Cu)/Mg原子比綜上所述，通過顯微硬度、DSC、TEM和APT分析研究了Ag和Sc對人工過時效Al-Zn-Mg-Cu合金析出的影響。主要結論如下:Ag和Sc作為直接(Mg-Ag相)和間接(Al2Sc相)前驅體和η型納米析出相的成核位點，增加了析出相的數量和密度。Ag和Sc的加入(特別是Ag的加入)可以防止η析出相的粗化，促進過時效過程中細小η析出相的高密度分布，提高析出相的熱穩定性。銀原子阻礙Zn原子向η析出相擴散，直接阻止η析出相粗化，這是由析出相Ag濃度、半徑和(Zn+Cu)/Mg原子比的關系揭示的。Sc的加入減少了Al基體中的溶質，從而間接地阻止了η相的粗化，從而使析出相大量生長。
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