Al-Si-Mg-Hf合金中析出相的研究

发布时间：2018-10-05 10:38

【摘要】：以Al-Si-Mg为基础的铸态合金材料是当前汽车全铝发动机的主要应用材料,当工作温度达到200℃及以上时,合金中的Mg2Si强化相将逐渐失稳,从而失去强化作用,导致合金材料的服役寿命缩短。探寻材料中高温稳定的析出强化相是解决上述问题的思路之一。大量研究表明,铝合金中添加微量过渡元素可以形成高温稳定的Al3M(M=Zr,Sc,Hf,Ti……)强化相。在高Si含量的Al-Si-Mg-Hf-Y铝合金中发现了一种新型高密度的Si2Hf纳米带析出相,能有效提升合金的高温性能。但是这种析出相的本征特征、形成机理、在基体的作用等还未有研究报告。深入系统研究这种Si-Hf相有助于为设计和开发汽车发动机用新型耐高温铝合金材料提供理论指导和技术支持。本论文以Al-Si-Mg铸造合金中添加Hf元素作为研究对象,采用电子背散射衍射(EBSD)、聚焦离子束/电子束双束系统(FIB/SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HADDF-STEM)、能谱分析(EDS)等分析技术,结合第一性原理计算及近似重位点阵(NCS)理论分析,系统研究了Al-Si-Mg-Hf合金中Si-Hf析出相的析出行为、形成及生长机理、演变规律和取向关系等。得到如下主要结论:(1)Al-Si-Mg-Hf合金经过560℃+20小时热处理后,合金中形成高密度不同形貌(纳米带状、长方形、正方形)的析出相。首次结合EBSD和3D-FIB技术从三维角度更加真实和客观地对合金中析出相的分布及形貌进行表征,发现合金中纳米带状析出相具有一定的取向性,结合矩阵计算,对纳米带状Si2Hf析出相的长轴方向进行了计算,确定了纳米带状析出相在Al基体中的7种生长方向,4 1 2,-65 4,-4 1-4,1 1 0,2 2 1,0 2 1,0 0 1。(2)通过对Al-Si-Mg-Hf合金在560℃下进行短时(10,20分钟)和长时(20小时)的热处理后析出相的研究表明,热处理10分钟时,合金中还未有析出相形成,当热处理20分钟后合金中形成大量具有立方L12结构的Si3Hf相。利用第一性原理计算优化了Si3Hf相结构的晶胞参数为a=3.970?,随着热处理时间的延长,Si3Hf相结构中的Hf原子逐渐替代一对面心位置上的Si原子,形成正方结构的Si2Hf2相,随即转变为过渡态的Si-Hf相,最终形成正交结构的Si2Hf平衡相,其演变路径为:Si3Hf→Si2Hf2→过渡态→Si2Hf。(3)结合HADDF-STEM原子分辨成像及高分辨能谱,对Al-Si-Mg-Hf合金在560℃热处理20小时后样品中不同形貌的Si-Hf析出相原子结构及组成做了进一步详细的分析。发现Al-Si-Mg-Hf合金在560℃热处理20小时后,长方形和正方形的Si2Hf析出相中,有部分Si原子会被Al原子替代,即主要为(Si2-x Alx)Hf相。而纳米带状Si2Hf析出相中有少量或没有Si原子被取代。通过第一性原理计算可得,Si2Hf单胞结构中8个Si原子位置的Si6和Si8最容易被Al原子所替代。(4)对Al-Si-Mg-Hf合金560℃热处理20小时后合金中的纳米带状和矩形析出相与基体的取向关系进行了系统研究。研究证实纳米带状析出相与基体存在四种晶体学取向关系:OR1:(100)Al //(010)p,(0-11)Al //(101)p,[011]Al // [-101]p;OR2:(11-1)Al //(010)p,[011]Al // [-101]p;OR3:(12-1)Al //(010)p,(101)Al //(110)p,[1-1-1]Al // [001]p;OR4:(-1-11)Al//(010)p,[112]Al//[-101]p。这四种取向关系中纳米带状析出相在Al基体中析出惯习面分别为:(100)Al、(11-1)Al、(12-1)Al和(-1-11)Al晶面,同时惯习面均平行纳米带状析出相的(010)p晶面。矩形状析出相与基体也存在四种取向关系:OR1:[112]Al//[010]p,(11-1)Al与(200)p间的夹角约为3.21°;OR2:[012]Al // [010]p,(200)Al //(002)p;OR3:[-113]Al//[010]p,(2-42)Al与(20-2)p间的夹角大约为为6.77°;OR4:[-113]Al // [3-1-3]p,(220)Al //(130)p。前面三种矩形状析出相的惯习面分别为(112)Al、(012)Al、(-113)Al晶面,(010)p为矩形状Si2Hf析出相自身的惯习面,第四种取向关系中,由于电子束入射方向并不垂直或平行于矩形状析出相的侧面,因此无法从取向关系四中判断析出相的惯习面。(5)利用PTCLab软件模拟了不同取向关系下原子的近似重位点阵密度分布,发现在四种纳米带状析出相与基体的取向关系中,只存NCS密度分布最高点,表明纳米带状析出相只沿着能量最低的惯习面在一维方向生长,形成在一维方向较长的带状形貌。而对于长方形和正方形析出相,原子在相的(010)p晶面上不是最优的匹配,而是错开了一定夹角,即析出相与基体相互匹配时,失去了能量最低的择优界面,使两相原子界面匹配能量升高,阻碍了析出相在惯习面上沿着择优取向的进一步长大,从而形成长方形和正方形的形貌特征。
[Abstract]:Cast-state alloy material based on Al-Si-Mg alloy is the main application material of the current automobile all-aluminum engine. When the working temperature reaches 200 鈩，

本文编号：2253066