Zr、Ti金属间化合物在铝合金中析出及强化行为的研究

发布时间：2017-09-08 00:13

  本文关键词：Zr、Ti金属间化合物在铝合金中析出及强化行为的研究

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【摘要】：过渡族金属元素Zr和Ti在铝合金中因形成初生相或沉淀相而发挥着强化作用。本文利用场发射扫描电镜(FESEM)、差式扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)及三维原子探针(APT)等测试手段对Zr、Ti在铝合金中的存在形态进行了研究。分别从合金凝固过程中所形成的金属间化合物和热处理过程中析出的沉淀相入手,研究了化合物结构、成分、形貌的演变规律、晶体长大机制及沉淀相的析出强化行为,并探讨其对合金组织及性能尤其是高温性能的影响。本文主要研究工作如下：(1)铝合金中Zr、Ti金属间化合物的形成及演变规律以三元Al-Si-Zr/Ti、Al-Zr-Ti及四元Al-Si-Zr-Ti合金体系为研究对象,对Zi、Ti在铝合金中形成的金属间化合物进行表征。Al-Si-Zr/Ti合金中所形成的金属间化合物为三元ZrAlSi/TiAlSi相,且随合金中Si含量的增加,分别从具有正方结构的TiAl3相演变为Ti7Al5Si12相,(Al, Zr, Si)相演变为正交结构的ZrSi2相,且金属间化合物晶格中的Al原子部分被Si原子替代,发生着成分演变,对应从M(Al1-x,Six)3到M(Si1-x,Alx)2 (M=Ti, Zr)的变化。二元Al-Ti-Zr和四元Al-Si-Ti-Zr合金中所形成的相为AlTiZr和AlSiTiZr,即Zr和Ti会同时参与金属间化合物的生成,与Al与Si原子的替代规律相似,Ti和Zr原子在晶格中亦可互相替代,且金属间化合物中Zr、Ti元素的相对含量与合金中两元素的相对含量呈现线性关系。上述金属间化合物除了表现出成分、结构的演变外,其形貌及形成过程与合金的原料、成分、熔炼温度等参数紧密相关。初生ZrAlSi和TiAlSi金属间化合物的形成过程包含反应、扩散等多种机制,当初生相从熔体中析出时,高的Si/M比(M=Ti, Zr)易导致M(Si1-x,Alx)2相的生成,而低Si/M则易生成M(Al1-x,Six)3相；高的熔炼温度易使熔体中形成针片状形貌相,反之则易生成块状相；以氟盐(K2TiF6或K2ZrF6)为原料更易得到块状化合物。而在液-固反应中,由于金属间化合物的生成受“液-固渐进式扩散”过程的制约,Si和Al原子扩散进入固态颗粒中,化合物的最终形态遗传了固态粒子的形貌。通过对熔体状态和凝固过程的调控,可实现对金属间化合物形貌的控制。(2)铝合金中Zr、Ti金属间化合物的生长机制及其控制与利用通过对初生金属间化合物凝固不同阶段的三维形貌进行观察,结合第一性原理计算,可分析ZrAlSi和TiAlSi晶体的析出与长大机制并建立生长模型。对于不同Al-Si-Zr合金中所形成的ZrAl3、(Al, Zr, Si)和ZrSi2晶体来说,在ZrAl3晶体生长的中间阶段,其侧面由{101}和{111}晶面族的八组晶面组成,由于101和111方向生长速度的差异,当V(111)/V(101)＝√2时,{111}晶面消失,晶体最终生长成上下面为(001)和(001)面,侧面为八个{101}面两两对称的扁平状形貌。而同属正方晶系的(Al,Zr,Si)晶体在生长过程中,其上下晶面亦为(001)和(001)面,而侧面则由{101}晶面族的八个对称晶面和四个垂直于上下平面的{110}面组成。由于不同侧面生长速度的差异,与上下晶面垂直的{110}晶面消失,最终长成与ZrAl3相似的扁平状形貌。ZrSi2晶体生长初期的形态与ZrAl3相似,其上下平面为(001)和(001)面,侧面为{101}和{111}晶面族的八组晶面,然而由于晶体沿侧面法线方向的生长速度相当,在完整晶体中,侧面的八组对称晶面都保留下来,而最终形成了十八面体形貌。TiAlSi相的生长模式与ZrAlSi相似：TiAl3与ZrAl3具有相似的生长过程,其完整形态也呈扁平多面体状,而Ti7Al5Si12则与ZrSi2生长方式相似,本征形貌亦为十八面体。基于晶体合成及生长机制的研究结果,可实现对ZrAlSi、TiAlSi金属间化合物的良好控制,并发挥其对不同合金的强化效用。研究发现块状ZrAlSi与TiAlSi化合物均可提升多元Al-Si-Cu-Ni-Mg合金的高温力学性能(拉伸强度、屈服强度与延伸率),而针片状形貌的化合物则会带来不利影响。此外,利用ZrAlSi相对A390合金中的初晶Si相进行改性,再添加Sr元素可实现对合金的“双重变质”,变质后合金的性能也得到了明显提高。(3)铝合金中Zr、Ti沉淀相的析出及对合金组织与性能的影响对快速凝固的Al-0.5Zr和Al-3Si-0.5Zr合金进行525℃/24h热处理,二元合金中析出了β (L12-ZrAl3)相,其与a-Al呈共格关系,沿{111}Al惯习面析出；而三元合金中则析出了p (DO23-Zr(Al,Si)3)相,其与a-Al呈“立方-立方”位向关系。向Al-12.2Si-4.1Cu-2.0Ni-1.3Mg合金中加入0.15%Zr,改变了过饱和固溶体的状态,使合金在固溶处理(505℃/8h)过程中析出了β'相,并促进了时效阶段S (Al2CuMg)相的析出,使之平均尺寸减小、体积分数增加。在工业用Al-6Zn-2Mg-2.5Cu-0.2Zr合金中,固溶处理(470℃/8h)阶段即析出了β'相,当向合金中添加0.2%Ti时,Ti和Zr的联合作用改变了过饱和固溶体的状态,增加了β' (L12-(Zr,Ti)Al3)的体积分数,减小了其平均尺寸,且对GP Ⅱ、η'相的析出产生影响,使得合金中η'相更加弥散,体积分数增大而平均尺寸减小,合金的硬度、耐磨性和拉伸性能也得到相应提升。
【关键词】：铝合金 Zr Ti 金属间化合物 晶体生长 沉淀强化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-18
• 本文创新点和主要贡献18-19
• 第一章 绪论19-37
• 1.1 引言19-20
• 1.2 Zr、Ti在铝合金中的应用现状及发展前景20-24
• 1.2.1 Ti在铝合金中的应用20-22
• 1.2.2 Zr在铝合金中的应用22-23
• 1.2.3 Zr、Ti在铝合金中的应用前景23-24
• 1.3 Zr、Ti金属间化合物在铝合金中的行为24-30
• 1.3.1 铝合金中的金属间化合物24-25
• 1.3.2 Ti金属间化合物的形态及其在铝合金中的应用25-27
• 1.3.3 Zr金属间化合物的形态及其在铝合金中的应用27-30
• 1.4 本课题的研究意义及主要研究内容30
• 参考文献30-37
• 第二章 试验方法37-45
• 2.1 技术路线37
• 2.2 试验材料37-38
• 2.3 试样制备及分析方法38-39
• 2.3.1 试验合金的熔炼与制备38
• 2.3.2 快速凝固试验合金的制备38-39
• 2.4 试验样品分析表征方法39-42
• 2.4.1 金相组织观察39
• 2.4.2 场发射扫描电镜观察39
• 2.4.3 透射电镜观察39
• 2.4.4 原子探针断层显像39-41
• 2.4.5 X射线衍射分析41
• 2.4.6 差示扫描量热分析41-42
• 2.4.7 物相提取方法42
• 2.5 力学性能测试42-44
• 2.5.1 拉伸样品加工与性能测试42
• 2.5.2 磨损样品加工与试验42-43
• 2.5.3 热膨胀性能测试43-44
• 2.6 晶体学与热力学的计算机模拟44-45
• 2.6.1 Materials Studio晶体学模拟分析44
• 2.6.2 Thermal-calc热力学模拟分析44-45
• 第三章 Zr、Ti金属间化合物在铝合金中的演变行为45-77
• 3.1 Al-Si-Ti合金中TiAlSi金属间化合物的演变行为45-51
• 3.1.1 TiAlSi的结构演变46-48
• 3.1.2 TiAlSi的成分变化48-50
• 3.1.3 TiAlSi显微硬度的变化50-51
• 3.2 Al-Si-Zr合金中ZrAlSi金属间化合物的演变行为51-56
• 3.2.1 ZrAlSi的结构演变53-54
• 3.2.2 ZrAlSi的成分变化54-55
• 3.2.3 ZrAlSi显微硬度的变化55-56
• 3.3 Al-(Si-)Ti-Zr合金中金属间化合物的演变行为56-64
• 3.3.1 Al-Ti-Zr合金中的金属间化合物56-57
• 3.3.2 Al-Si-Ti-Zr合金中的金属间化合物57-63
• 3.3.3 分析与讨论63-64
• 3.4 TiAlSi金属间化合物的形成及演变规律64-69
• 3.4.1 浓度和熔炼温度对TiAlSi形貌和结构的影响64-66
• 3.4.2 试验原料对TiAlSi形貌和结构的影响66-69
• 3.5 TiAlSi金属间化合物扩散形成机制69-74
• 3.6 本章小结74-75
• 参考文献75-77
• 第四章 Zr、Ti金属间化合物生长机制及其控制与利用77-99
• 4.1 ZrAlSi的生长机制77-88
• 4.1.1 ZrAl_3晶体的生长机制80-84
• 4.1.2 (Al,Zr,Si)晶体的生长机制84-86
• 4.1.3 ZrSi_2晶体的生长机制86-88
• 4.2 TiAlSi的生长机制88-90
• 4.3 TiAlSi与ZrAlSi在铝合金中的应用90-96
• 4.3.1 对Al-Si-Cu-Ni-Mg合金组织与性能的影响90-95
• 4.3.2 对A390合金组织和性能的影响95-96
• 4.4 本章小结96-97
• 参考文献97-99
• 第五章 Zr、Ti对铝合金时效析出过程的影响99-129
• 5.1 Al-(Si-)Zr合金中富Zr相的析出行为99-110
• 5.1.1 Al-0.5Zr合金析出相的观察与分析99-104
• 5.1.2 Al-3Si-0.5Zr合金析出相的观察与分析104-108
• 5.1.3 分析与讨论108-110
• 5.2 Zr对Al-Si-Cu-Ni-Mg合金时效过程的影响110-115
• 5.2.1 TEM组织观察及物相分析110-113
• 5.2.2 APT分析及合金硬度测试113-114
• 5.2.3 分析与讨论114-115
• 5.3 Zr、Ti对Al-Zn-Mg-Cu合金时效过程的影响115-125
• 5.3.1 显微组织观察与时效硬化曲线115-118
• 5.3.2 不同时效时间TEM组织观察与APT分析118-123
• 5.3.3 分析与讨论123-125
• 5.3.4 析出相与合金性能的相关性125
• 5.4 本章小节125-126
• 参考文献126-129
• 第六章 结论129-131
• 致谢131-133
• 附录133-139
• 外文论文139-167
• 附件167

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李慧中,张新明,陈明安,龚敏如,周卓平;Zr含量对2519铝合金组织与力学性能的影响[J];金属热处理;2004年11期

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本文编号：810732