Zr、Ti金屬間化合物在鋁合金中析出及強(qiáng)化行為的研究.pdf

1、過渡族金屬元素Zr和Ti在鋁合金中因形成初生相或沉淀相而發(fā)揮著強(qiáng)化作用。本文利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、差式掃描量熱儀(DSC)、X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)及三維原子探針(APT)等測試手段對Zr、Ti在鋁合金中的存在形態(tài)進(jìn)行了研究。分別從合金凝固過程中所形成的金屬間化合物和熱處理過程中析出的沉淀相入手，研究了化合物結(jié)構(gòu)、成分、形貌的演變規(guī)律、晶體長大機(jī)制及沉淀相的析出強(qiáng)化行為，并探討

2、其對合金組織及性能尤其是高溫性能的影響。本文主要研究工作如下:
　　(1)鋁合金中Zr、Ti金屬間化合物的形成及演變規(guī)律
　　以三元Al-Si-Zr/Ti、Al-Zr-Ti及四元Al-Si-Zr-Ti合金體系為研究對象，對Zr、Ti在鋁合金中形成的金屬間化合物進(jìn)行表征。Al-Si-Zr/Ti合金中所形成的金屬間化合物為三元ZrAlSi/TiAlSi相，且隨合金中Si含量的增加，分別從具有正方結(jié)構(gòu)的TiAl3相演變?yōu)門i7Al

3、5Si12相，(Al，Zr, Si)相演變?yōu)檎唤Y(jié)構(gòu)的ZrSi2相，且金屬間化合物晶格中的Al原子部分被Si原子替代，發(fā)生著成分演變，對應(yīng)從M(Al1-x，Six)3到M(Si1-x，Alx)2(M=Ti，Zr)的變化。
　　三元Al-Ti-Zr和四元Al-Si-Ti-Zr合金中所形成的相為AlTiZr和AlSiTiZr，即Zr和Ti會(huì)同時(shí)參與金屬間化合物的生成，與Al與Si原子的替代規(guī)律相似，Ti和Zr原子在晶格中亦可互相替代，

4、且金屬間化合物中Zr、Ti元素的相對含量與合金中兩元素的相對含量呈現(xiàn)線性關(guān)系。
　　上述金屬間化合物除了表現(xiàn)出成分、結(jié)構(gòu)的演變外，其形貌及形成過程與合金的原料、成分、熔煉溫度等參數(shù)緊密相關(guān)。初生ZrAlSi和TiAlSi金屬間化合物的形成過程包含反應(yīng)、擴(kuò)散等多種機(jī)制，當(dāng)初生相從熔體中析出時(shí)，高的Si/M比(M=Ti，Zr)易導(dǎo)致M(Si1-x，Alx)2相的生成，而低Si/M則易生成M(Al1-x，Six)3相;高的熔煉溫度易使熔

5、體中形成針片狀形貌相，反之則易生成塊狀相;以氟鹽（K2TiF6或K2ZrF6）為原料更易得到塊狀化合物。而在液-固反應(yīng)中，由于金屬間化合物的生成受“液-固漸進(jìn)式擴(kuò)散”過程的制約，Si和Al原子擴(kuò)散進(jìn)入固態(tài)顆粒中，化合物的最終形態(tài)遺傳了固態(tài)粒子的形貌。通過對熔體狀態(tài)和凝固過程的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對金屬間化合物形貌的控制。
　　(2)鋁合金中Zr、Ti金屬間化合物的生長機(jī)制及其控制與利用
　　通過對初生金屬間化合物凝固不同階段的三維形

6、貌進(jìn)行觀察，結(jié)合第一性原理計(jì)算，可分析ZrAlSi和TiAlSi晶體的析出與長大機(jī)制并建立生長模型。對于不同Al-Si-Zr合金中所形成的ZrAl3、(Al，Zr, Si)和ZrSi2晶體來說，在ZrAl3晶體生長的中間階段，其側(cè)面由{101}和{111}晶面族的八組晶面組成，由于<101>和<111>方向生長速度的差異，當(dāng)V(111）/V(101)=√2時(shí)，{111}晶面消失，晶體最終生長成上下面為(001)和(00(1))面，側(cè)面為

7、八個(gè){101}面兩兩對稱的扁平狀形貌。而同屬正方晶系的(Al，Zr, Si)晶體在生長過程中，其上下晶面亦為(001)和(00(1))面，而側(cè)面則由{101}晶面族的八個(gè)對稱晶面和四個(gè)垂直于上下平面的{110}面組成。由于不同側(cè)面生長速度的差異，與上下晶面垂直的{110}晶面消失，最終長成與ZrAl3相似的扁平狀形貌。ZrSi2晶體生長初期的形態(tài)與ZrAl3相似，其上下平面為(001)和(00(1))面，側(cè)面為{101}和{111}晶面

8、族的八組晶面，然而由于晶體沿側(cè)面法線方向的生長速度相當(dāng)，在完整晶體中，側(cè)面的八組對稱晶面都保留下來，而最終形成了十八面體形貌。
　　TiAlSi相的生長模式與ZrAlSi相似:TiAl3與ZrAl3具有相似的生長過程，其完整形態(tài)也呈扁平多面體狀，而Ti7Al5Si12則與ZrSi2生長方式相似，本征形貌亦為十八面體。
　　基于晶體合成及生長機(jī)制的研究結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)對ZrAlSi、TiAlSi金屬間化合物的良好控制，并發(fā)揮其對不

9、同合金的強(qiáng)化效用。研究發(fā)現(xiàn)塊狀ZrAlSi與TiAlSi化合物均可提升多元Al-Si-Cu-Ni-Mg合金的高溫力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與延伸率），而針片狀形貌的化合物則會(huì)帶來不利影響。此外，利用ZrAlSi相對A390合金中的初晶Si相進(jìn)行改性，再添加Sr元素可實(shí)現(xiàn)對合金的“雙重變質(zhì)”，變質(zhì)后合金的性能也得到了明顯提高。
　　(3)鋁合金中Zr、Ti沉淀相的析出及對合金組織與性能的影響
　　對快速凝固的Al-0.5Zr

10、和Al-3Si-0.5Zr合金進(jìn)行525℃/24h熱處理，二元合金中析出了β'(L12-ZrAl3)相，其與α-Al呈共格關(guān)系，沿{111}Al慣習(xí)面析出;而三元合金中則析出了β(DO23-Zr(Al，Si)3)相，其與α-Al呈“立方-立方”位向關(guān)系。
　　向Al-12.2Si-4.1 Cu-2.0Ni-1.3Mg合金中加入0.15％Zr，改變了過飽和固溶體的狀態(tài)，使合金在固溶處理(505℃/8h)過程中析出了β'相，并促進(jìn)了時(shí)

11、效階段S(Al2CuMg)相的析出，使之平均尺寸減小、體積分?jǐn)?shù)增加。
　　在工業(yè)用Al-6Zn-2Mg-2.5Cu-0.2Zr合金中，固溶處理(470℃/8h)階段即析出了β'相，當(dāng)向合金中添加0.2％Ti時(shí)，Ti和Zr的聯(lián)合作用改變了過飽和固溶體的狀態(tài)，增加了β'(L12-(Zr, Ti)Al3)的體積分?jǐn)?shù)，減小了其平均尺寸，且對GPⅡ、η'相的析出產(chǎn)生影響，使得合金中η'相更加彌散，體積分?jǐn)?shù)增大而平均尺寸減小，合金的硬度、耐磨