韩国科技大学《JMST》Ag、Sc微量添加对过时效Al-Zn-Mg-Cu合金析出的影响
2024-06-24 15:05:44
作者：材料学网 来源：材料学网
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导读:添加微合金化对控制铝合金析出相的特征起着重要作用。本文通过差示扫描量热法、透射电镜和原子探针层析成像研究了Ag和Sc微合金化对Al-Zn - Mg-Cu合金热稳定性的影响。结果表明，Ag和Sc的加入通过直接(Mg-Ag相，析出相的原型)或间接前驱体(Al2Sc相，析出相的组成)的形成，增加了热处理过程中形成的η-MgZn2型纳米析出相的数量密度。此外，Ag和Sc元素能有效地阻止η析出相的粗化，促进细η析出相的高密度分布，提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的热稳定性。Ag的加入特别提高了合金的热稳定性，因为Ag原子通过阻碍Zn向析出相的扩散直接阻止了η析出相的粗化。相反，Sc的加入减少了Al基体中的溶质，间接阻止了η析出相的粗化，使得大量析出相的生长受到限制。因此，Ag的加入通过防止过时效过程中析出相的粗化来改善析出强化。
Al - Zn - Mg - Cu 7xxx系列合金是一类重要的航空航天合金，由于热处理形成的纳米析出物具有高比强度而被用作结构材料。Al - Zn - Mg - Cu合金的析出顺序为:过饱和固溶体(SSS)→溶质空位团簇→ginier - preston (GP)区(I, II)→η′→η。溶质-空位团簇是由溶质原子与沉淀初始阶段的淬火空位结合形成的，并且已经被认为是沉淀的成核位点，控制着沉淀动力学。GP区域(I, II)是聚类的初始结果，与Al矩阵具有相干界面。GP区(I)为富镁团簇，GP区(II)为富锌层，其Zn/Mg原子比分别为~ 1.0和1.35 ~ 1.40[1,4,8 - 11]。亚稳六方η′相(P63/mmc;a = 0.496 nm, c = 1.402 nm)[8]为Mg2Zn5-xAl2+x型析出物，具有与Al矩阵的相干或半相干界面。稳定的六方η相(P63/mmc;a = 0.522 nm, c = 0.857 nm)为MgZn2型析出物，与Al基体具有非共格界面。η′析出有利于峰值时效时的最大强化;随着时效的进行，Al - Zn - Mg - Cu合金的强度逐渐降低，形成稳定的η相。由于η析出物的热稳定性较低，在持续的热暴露下，η析出物的尺寸增大，使力学性能恶化。微合金化是控制η析出物特征(即形貌、数量密度和尺寸)的有效方法，在提高航空航天零件和电动汽车电池等高温应用的热稳定性方面发挥着重要作用。在7xxx系列铝合金中加入Ag作为微合金化元素，通过为析出相提供成核位点，增加析出相的数量密度，从而提高析出强化。在本研究中，韩国材料科学研究院联合韩国科技大学研究了溶质态Ag和Sc对Al-Zn-Mg-Cu合金在相对长时间热暴露下析出和热稳定性的影响，通讯作者为Hyeon-Woo Son，第一作者为Yong-You Kim。本研究不仅为长时间人工时效后Ag微合金化效应的研究提供了新的信息，而且为Sc微合金化在Al-Zn-Mg-Cu合金中的作用提供了新的认识。相关研究成果以“Effects of Ag/Sc microadditions on the precipitation of over-aged Al–Zn–Mg–Cu alloys”发表在Journal of Materials Science & Technology上https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224006017
图1 (a) AA7075、(b) Ag改性和(c) Sc改性合金的平衡热力学计算结果
图2 AA7075合金、(b) Ag改性和(c) Sc改性合金在480℃固溶处理4小时的SEM显微图
图3 (a) 200℃人工时效过程中AA7075、Ag改性和Sc改性合金的显微硬度和电导率变化
图4 (a)时效0.16 h的AA7075、Ag和Sc改性合金中Zn - Mg - Cu团簇和(b)时效0.16 h的Ag改性合金中Mg - Ag和Zn - Ag团簇的APT重构。Ag原子在Mg - Ag团簇中比在Zn - Ag团簇中观察到更多
图5 Al、Zn、Mg、Cu和Ag/Sc配对的部分径向分布函数(p-RDFs)结果基于时效0.16 h的Ag改性合金(a) Mg定心和(b) Zn定心，以及时效0.16 h的Sc改性合金(c) Mg定心和(d) Zn定心
图9 APT重建 (a) AA7075、(b) ag改性合金和(c) sc改性合金时效24 h的7 at % Zn等浓度表面。(d) AA7075、(e) ag改性合金和(f) sc改性合金时效24 h的析出相浓度分布图相近直方图
图12 (a)含银细、粗η析出相簇图。(b)根据析出相中Ag浓度的析出相半径分布;(c)根据时效24h Ag改性合金中析出相半径的(Zn+Cu)/Mg原子比综上所述，通过显微硬度、DSC、TEM和APT分析研究了Ag和Sc对人工过时效Al-Zn-Mg-Cu合金析出的影响。主要结论如下:Ag和Sc作为直接(Mg-Ag相)和间接(Al2Sc相)前驱体和η型纳米析出相的成核位点，增加了析出相的数量和密度。Ag和Sc的加入(特别是Ag的加入)可以防止η析出相的粗化，促进过时效过程中细小η析出相的高密度分布，提高析出相的热稳定性。银原子阻碍Zn原子向η析出相扩散，直接阻止η析出相粗化，这是由析出相Ag浓度、半径和(Zn+Cu)/Mg原子比的关系揭示的。Sc的加入减少了Al基体中的溶质，从而间接地阻止了η相的粗化，从而使析出相大量生长。
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