噴射沉積Al-Zn-Mg-Cu合金凝固行為及熱加工過程組織演變.pdf

1、快凝及深過冷條件下的固液界面穩(wěn)定性及晶體生長形態(tài)演變，是凝固領(lǐng)域的研究熱點，長期以來受到廣泛關(guān)注。基于快凝方法產(chǎn)生的組織細化，為材料性能提升提供了最直接的途徑，具有明確的實際意義。對于快凝晶體生長形貌演變，雖然凝固理論早已預測了絕對穩(wěn)定平界面的存在，但迄今仍缺乏充足的實驗證據(jù)。本文通過對氣霧化鋁合金粉末微觀組織的電子顯微表征，對不同粒徑粉末凝固形態(tài)隨冷卻速度的變化規(guī)律進行了研究。獲得了快凝胞晶生長向平面晶生長轉(zhuǎn)變的實驗證據(jù)。繼而，分析了

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

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測的絕對穩(wěn)定平界面凝固相對應。理論計算得到直徑d=0.5μm熔滴的凝固速度為v=3721ms-1，與熱擴散控制的絕對穩(wěn)定臨界速度vab處于同一數(shù)量級，該結(jié)果進一步支持了平界面絕對穩(wěn)定存在的可能。TEM同時表明，快凝效應促進了粉末晶間亞穩(wěn)i-Mg32(Al

4、Zn)49準晶相的生成，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準晶相；中氣液比下(G/M=2.3)，可獲得理想的細小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共晶相的細化；Fe形成針狀的Al23CuFe4初晶相，其長軸方向為[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)。
　　基于熱壓縮試驗數(shù)據(jù)分析，獲知沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金熱變形流變應力，變形溫度及應變速率之間遵從Arrhenius關(guān)系。合金在高Zener-Hollomon參數(shù)(Z值)下變形，主要軟化機制為動態(tài)回復?；貜蛠喚Ы玳L度分數(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，主要軟化機制為動態(tài)再結(jié)晶，以連續(xù)和非連續(xù)再結(jié)晶兩種機制進行.再結(jié)晶晶界長度分數(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)。建立了合金在真應變0.7條件下的熱加工圖。結(jié)合微觀組織的分析和驗證，確定合金理想的加工參數(shù)范圍是：溫度400～460℃，應變速率0.05s-1~0.007s-1；以及450℃~460℃，應變速率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時效后出現(xiàn)峰值硬度，對應η＇相為主強化相。固溶度增大兼之各缺陷密度升高，使得沉積合金較常規(guī)工藝合金峰時效時間縮短。時效動力學研究顯示：析出長大階段，析出相盤片半厚度h與時間 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與時間t三次方根成正比(h3=-2.863+0.133t)。析出相體積分數(shù)Xr與時間的變化關(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效工藝：固溶470℃/1h+490℃/1h水淬+120℃/12h時效。獲得了抗拉強度816MPa、延伸率超過8％的優(yōu)異室溫拉伸性能，電導率為27.8%IACS