本文關(guān)鍵詞：Zr、Ti金屬間化合物在鋁合金中析出及強(qiáng)化行為的研究

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【摘要】：過(guò)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(chǎng)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(cè)試手段對(duì)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(guò)程中所形成的金屬間化合物和熱處理過(guò)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(zhǎng)大機(jī)制及沉淀相的析出強(qiáng)化行為,并探討其對(duì)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(duì)象,對(duì)Zi、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(mén)i7Al5Si12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(duì)應(yīng)從M(Al1-x,Six)3到M(Si1-x,Alx)2 (M=Ti, Zr)的變化。二元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,且金屬間化合物中Zr、Ti元素的相對(duì)含量與合金中兩元素的相對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)熔體狀態(tài)和凝固過(guò)程的調(diào)控,可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)機(jī)制及其控制與利用通過(guò)對(duì)初生金屬間化合物凝固不同階段的三維形貌進(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(zhǎng)大機(jī)制并建立生長(zhǎng)模型。對(duì)于不同Al-Si-Zr合金中所形成的ZrAl3、(Al, Zr, Si)和ZrSi2晶體來(lái)說(shuō),在ZrAl3晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)成上下面為(001)和(001)面,側(cè)面為八個(gè){101}面兩兩對(duì)稱的扁平狀形貌。而同屬正方晶系的(Al,Zr,Si)晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中,其上下晶面亦為(001)和(001)面,而側(cè)面則由{101}晶面族的八個(gè)對(duì)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(zhǎng)速度的差異,與上下晶面垂直的{110}晶面消失,最終長(zhǎng)成與ZrAl3相似的扁平狀形貌。ZrSi2晶體生長(zhǎng)初期的形態(tài)與ZrAl3相似,其上下平面為(001)和(001)面,側(cè)面為{101}和{111}晶面族的八組晶面,然而由于晶體沿側(cè)面法線方向的生長(zhǎng)速度相當(dāng),在完整晶體中,側(cè)面的八組對(duì)稱晶面都保留下來(lái),而最終形成了十八面體形貌。TiAlSi相的生長(zhǎng)模式與ZrAlSi相似：TiAl3與ZrAl3具有相似的生長(zhǎng)過(guò)程,其完整形態(tài)也呈扁平多面體狀,而Ti7Al5Si12則與ZrSi2生長(zhǎng)方式相似,本征形貌亦為十八面體�；诰w合成及生長(zhǎng)機(jī)制的研究結(jié)果,可實(shí)現(xiàn)對(duì)ZrAlSi、TiAlSi金屬間化合物的良好控制,并發(fā)揮其對(duì)不同合金的強(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(lái)不利影響。此外,利用ZrAlSi相對(duì)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(duì)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(duì)合金組織與性能的影響對(duì)快速凝固的Al-0.5Zr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a-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p (DO23-Zr(Al,Si)3)相,其與a-Al呈“立方-立方”位向關(guān)系。向Al-12.2Si-4.1Cu-2.0Ni-1.3Mg合金中加入0.15%Zr,改變了過(guò)飽和固溶體的狀態(tài),使合金在固溶處理(505℃/8h)過(guò)程中析出了β'相,并促進(jìn)了時(shí)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(guò)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(duì)GP Ⅱ、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、耐磨性和拉伸性能也得到相應(yīng)提升。
【關(guān)鍵詞】：鋁合金 Zr Ti 金屬間化合物 晶體生長(zhǎng) 沉淀強(qiáng)化
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG146.21
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-18
• 本文創(chuàng)新點(diǎn)和主要貢獻(xiàn)18-19
• 第一章 緒論19-37
• 1.1 引言19-20
• 1.2 Zr、Ti在鋁合金中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景20-24
• 1.2.1 Ti在鋁合金中的應(yīng)用20-22
• 1.2.2 Zr在鋁合金中的應(yīng)用22-23
• 1.2.3 Zr、Ti在鋁合金中的應(yīng)用前景23-24
• 1.3 Zr、Ti金屬間化合物在鋁合金中的行為24-30
• 1.3.1 鋁合金中的金屬間化合物24-25
• 1.3.2 Ti金屬間化合物的形態(tài)及其在鋁合金中的應(yīng)用25-27
• 1.3.3 Zr金屬間化合物的形態(tài)及其在鋁合金中的應(yīng)用27-30
• 1.4 本課題的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容30
• 參考文獻(xiàn)30-37
• 第二章 試驗(yàn)方法37-45
• 2.1 技術(shù)路線37
• 2.2 試驗(yàn)材料37-38
• 2.3 試樣制備及分析方法38-39
• 2.3.1 試驗(yàn)合金的熔煉與制備38
• 2.3.2 快速凝固試驗(yàn)合金的制備38-39
• 2.4 試驗(yàn)樣品分析表征方法39-42
• 2.4.1 金相組織觀察39
• 2.4.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察39
• 2.4.3 透射電鏡觀察39
• 2.4.4 原子探針斷層顯像39-41
• 2.4.5 X射線衍射分析41
• 2.4.6 差示掃描量熱分析41-42
• 2.4.7 物相提取方法42
• 2.5 力學(xué)性能測(cè)試42-44
• 2.5.1 拉伸樣品加工與性能測(cè)試42
• 2.5.2 磨損樣品加工與試驗(yàn)42-43
• 2.5.3 熱膨脹性能測(cè)試43-44
• 2.6 晶體學(xué)與熱力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬44-45
• 2.6.1 Materials Studio晶體學(xué)模擬分析44
• 2.6.2 Thermal-calc熱力學(xué)模擬分析44-45
• 第三章 Zr、Ti金屬間化合物在鋁合金中的演變行為45-77
• 3.1 Al-Si-Ti合金中TiAlSi金屬間化合物的演變行為45-51
• 3.1.1 TiAlSi的結(jié)構(gòu)演變46-48
• 3.1.2 TiAlSi的成分變化48-50
• 3.1.3 TiAlSi顯微硬度的變化50-51
• 3.2 Al-Si-Zr合金中ZrAlSi金屬間化合物的演變行為51-56
• 3.2.1 ZrAlSi的結(jié)構(gòu)演變53-54
• 3.2.2 ZrAlSi的成分變化54-55
• 3.2.3 ZrAlSi顯微硬度的變化55-56
• 3.3 Al-(Si-)Ti-Zr合金中金屬間化合物的演變行為56-64
• 3.3.1 Al-Ti-Zr合金中的金屬間化合物56-57
• 3.3.2 Al-Si-Ti-Zr合金中的金屬間化合物57-63
• 3.3.3 分析與討論63-64
• 3.4 TiAlSi金屬間化合物的形成及演變規(guī)律64-69
• 3.4.1 濃度和熔煉溫度對(duì)TiAlSi形貌和結(jié)構(gòu)的影響64-66
• 3.4.2 試驗(yàn)原料對(duì)TiAlSi形貌和結(jié)構(gòu)的影響66-69
• 3.5 TiAlSi金屬間化合物擴(kuò)散形成機(jī)制69-74
• 3.6 本章小結(jié)74-75
• 參考文獻(xiàn)75-77
• 第四章 Zr、Ti金屬間化合物生長(zhǎng)機(jī)制及其控制與利用77-99
• 4.1 ZrAlSi的生長(zhǎng)機(jī)制77-88
• 4.1.1 ZrAl_3晶體的生長(zhǎng)機(jī)制80-84
• 4.1.2 (Al,Zr,Si)晶體的生長(zhǎng)機(jī)制84-86
• 4.1.3 ZrSi_2晶體的生長(zhǎng)機(jī)制86-88
• 4.2 TiAlSi的生長(zhǎng)機(jī)制88-90
• 4.3 TiAlSi與ZrAlSi在鋁合金中的應(yīng)用90-96
• 4.3.1 對(duì)Al-Si-Cu-Ni-Mg合金組織與性能的影響90-95
• 4.3.2 對(duì)A390合金組織和性能的影響95-96
• 4.4 本章小結(jié)96-97
• 參考文獻(xiàn)97-99
• 第五章 Zr、Ti對(duì)鋁合金時(shí)效析出過(guò)程的影響99-129
• 5.1 Al-(Si-)Zr合金中富Zr相的析出行為99-110
• 5.1.1 Al-0.5Zr合金析出相的觀察與分析99-104
• 5.1.2 Al-3Si-0.5Zr合金析出相的觀察與分析104-108
• 5.1.3 分析與討論108-110
• 5.2 Zr對(duì)Al-Si-Cu-Ni-Mg合金時(shí)效過(guò)程的影響110-115
• 5.2.1 TEM組織觀察及物相分析110-113
• 5.2.2 APT分析及合金硬度測(cè)試113-114
• 5.2.3 分析與討論114-115
• 5.3 Zr、Ti對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金時(shí)效過(guò)程的影響115-125
• 5.3.1 顯微組織觀察與時(shí)效硬化曲線115-118
• 5.3.2 不同時(shí)效時(shí)間TEM組織觀察與APT分析118-123
• 5.3.3 分析與討論123-125
• 5.3.4 析出相與合金性能的相關(guān)性125
• 5.4 本章小節(jié)125-126
• 參考文獻(xiàn)126-129
• 第六章 結(jié)論129-131
• 致謝131-133
• 附錄133-139
• 外文論文139-167
• 附件167

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李慧中,張新明,陳明安,龔敏如,周卓平;Zr含量對(duì)2519鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J];金屬熱處理;2004年11期

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本文編號(hào)：810732