【摘要】：以Al-Si-Mg為基礎(chǔ)的鑄態(tài)合金材料是當(dāng)前汽車全鋁發(fā)動機(jī)的主要應(yīng)用材料,當(dāng)工作溫度達(dá)到200℃及以上時(shí),合金中的Mg2Si強(qiáng)化相將逐漸失穩(wěn),從而失去強(qiáng)化作用,導(dǎo)致合金材料的服役壽命縮短。探尋材料中高溫穩(wěn)定的析出強(qiáng)化相是解決上述問題的思路之一。大量研究表明,鋁合金中添加微量過渡元素可以形成高溫穩(wěn)定的Al3M(M=Zr,Sc,Hf,Ti……)強(qiáng)化相。在高Si含量的Al-Si-Mg-Hf-Y鋁合金中發(fā)現(xiàn)了一種新型高密度的Si2Hf納米帶析出相,能有效提升合金的高溫性能。但是這種析出相的本征特征、形成機(jī)理、在基體的作用等還未有研究報(bào)告。深入系統(tǒng)研究這種Si-Hf相有助于為設(shè)計(jì)和開發(fā)汽車發(fā)動機(jī)用新型耐高溫鋁合金材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。本論文以Al-Si-Mg鑄造合金中添加Hf元素作為研究對象,采用電子背散射衍射(EBSD)、聚焦離子束/電子束雙束系統(tǒng)(FIB/SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HADDF-STEM)、能譜分析(EDS)等分析技術(shù),結(jié)合第一性原理計(jì)算及近似重位點(diǎn)陣(NCS)理論分析,系統(tǒng)研究了Al-Si-Mg-Hf合金中Si-Hf析出相的析出行為、形成及生長機(jī)理、演變規(guī)律和取向關(guān)系等。得到如下主要結(jié)論:(1)Al-Si-Mg-Hf合金經(jīng)過560℃+20小時(shí)熱處理后,合金中形成高密度不同形貌(納米帶狀、長方形、正方形)的析出相。首次結(jié)合EBSD和3D-FIB技術(shù)從三維角度更加真實(shí)和客觀地對合金中析出相的分布及形貌進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)合金中納米帶狀析出相具有一定的取向性,結(jié)合矩陣計(jì)算,對納米帶狀Si2Hf析出相的長軸方向進(jìn)行了計(jì)算,確定了納米帶狀析出相在Al基體中的7種生長方向,4 1 2,-65 4,-4 1-4,1 1 0,2 2 1,0 2 1,0 0 1。(2)通過對Al-Si-Mg-Hf合金在560℃下進(jìn)行短時(shí)(10,20分鐘)和長時(shí)(20小時(shí))的熱處理后析出相的研究表明,熱處理10分鐘時(shí),合金中還未有析出相形成,當(dāng)熱處理20分鐘后合金中形成大量具有立方L12結(jié)構(gòu)的Si3Hf相。利用第一性原理計(jì)算優(yōu)化了Si3Hf相結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)為a=3.970?,隨著熱處理時(shí)間的延長,Si3Hf相結(jié)構(gòu)中的Hf原子逐漸替代一對面心位置上的Si原子,形成正方結(jié)構(gòu)的Si2Hf2相,隨即轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)的Si-Hf相,最終形成正交結(jié)構(gòu)的Si2Hf平衡相,其演變路徑為:Si3Hf→Si2Hf2→過渡態(tài)→Si2Hf。(3)結(jié)合HADDF-STEM原子分辨成像及高分辨能譜,對Al-Si-Mg-Hf合金在560℃熱處理20小時(shí)后樣品中不同形貌的Si-Hf析出相原子結(jié)構(gòu)及組成做了進(jìn)一步詳細(xì)的分析。發(fā)現(xiàn)Al-Si-Mg-Hf合金在560℃熱處理20小時(shí)后,長方形和正方形的Si2Hf析出相中,有部分Si原子會被Al原子替代,即主要為(Si2-x Alx)Hf相。而納米帶狀Si2Hf析出相中有少量或沒有Si原子被取代。通過第一性原理計(jì)算可得,Si2Hf單胞結(jié)構(gòu)中8個Si原子位置的Si6和Si8最容易被Al原子所替代。(4)對Al-Si-Mg-Hf合金560℃熱處理20小時(shí)后合金中的納米帶狀和矩形析出相與基體的取向關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究證實(shí)納米帶狀析出相與基體存在四種晶體學(xué)取向關(guān)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。這四種取向關(guān)系中納米帶狀析出相在Al基體中析出慣習(xí)面分別為:(100)Al、(11-1)Al、(12-1)Al和(-1-11)Al晶面,同時(shí)慣習(xí)面均平行納米帶狀析出相的(010)p晶面。矩形狀析出相與基體也存在四種取向關(guān)系:OR1:[112]Al//[010]p,(11-1)Al與(200)p間的夾角約為3.21°;OR2:[012]Al // [010]p,(200)Al //(002)p;OR3:[-113]Al//[010]p,(2-42)Al與(20-2)p間的夾角大約為為6.77°;OR4:[-113]Al // [3-1-3]p,(220)Al //(130)p。前面三種矩形狀析出相的慣習(xí)面分別為(112)Al、(012)Al、(-113)Al晶面,(010)p為矩形狀Si2Hf析出相自身的慣習(xí)面,第四種取向關(guān)系中,由于電子束入射方向并不垂直或平行于矩形狀析出相的側(cè)面,因此無法從取向關(guān)系四中判斷析出相的慣習(xí)面。(5)利用PTCLab軟件模擬了不同取向關(guān)系下原子的近似重位點(diǎn)陣密度分布,發(fā)現(xiàn)在四種納米帶狀析出相與基體的取向關(guān)系中,只存NCS密度分布最高點(diǎn),表明納米帶狀析出相只沿著能量最低的慣習(xí)面在一維方向生長,形成在一維方向較長的帶狀形貌。而對于長方形和正方形析出相,原子在相的(010)p晶面上不是最優(yōu)的匹配,而是錯開了一定夾角,即析出相與基體相互匹配時(shí),失去了能量最低的擇優(yōu)界面,使兩相原子界面匹配能量升高,阻礙了析出相在慣習(xí)面上沿著擇優(yōu)取向的進(jìn)一步長大,從而形成長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，

本文編號：2253066