本文關鍵詞：Zr、Ti金屬間化合物在鋁合金中析出及強化行為的研究

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【摘要】：過渡族金屬元素Zr和Ti在鋁合金中因形成初生相或沉淀相而發(fā)揮著強化作用。本文利用場發(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)等測試手段對Zr、Ti在鋁合金中的存在形態(tài)進行了研究。分別從合金凝固過程中所形成的金屬間化合物和熱處理過程中析出的沉淀相入手,研究了化合物結構、成分、形貌的演變規(guī)律、晶體長大機制及沉淀相的析出強化行為,并探討其對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合金體系為研究對象,對Zi、Ti在鋁合金中形成的金屬間化合物進行表征。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,分別從具有正方結構的TiAl3相演變?yōu)門i7Al5Si12相,(Al, Zr, Si)相演變?yōu)檎唤Y構的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,對應從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會同時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元素的相對含量與合金中兩元素的相對含量呈現(xiàn)線性關系。上述金屬間化合物除了表現(xiàn)出成分、結構的演變外,其形貌及形成過程與合金的原料、成分、熔煉溫度等參數(shù)緊密相關。初生ZrAlSi和TiAlSi金屬間化合物的形成過程包含反應、擴散等多種機制,當初生相從熔體中析出時,高的Si/M比(M=Ti, Zr)易導致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-固反應中,由于金屬間化合物的生成受“液-固漸進式擴散”過程的制約,Si和Al原子擴散進入固態(tài)顆粒中,化合物的最終形態(tài)遺傳了固態(tài)粒子的形貌。通過對熔體狀態(tài)和凝固過程的調(diào)控,可實現(xiàn)對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機制及其控制與利用通過對初生金屬間化合物凝固不同階段的三維形貌進行觀察,結合第一性原理計算,可分析ZrAlSi和TiAlSi晶體的析出與長大機制并建立生長模型。對于不同Al-Si-Zr合金中所形成的ZrAl3、(Al, Zr, Si)和ZrSi2晶體來說,在ZrAl3晶體生長的中間階段,其側(cè)面由{101}和{111}晶面族的八組晶面組成,由于101和111方向生長速度的差異,當V(111)/V(101)＝√2時,{111}晶面消失,晶體最終生長成上下面為(001)和(001)面,側(cè)面為八個{101}面兩兩對稱的扁平狀形貌。而同屬正方晶系的(Al,Zr,Si)晶體在生長過程中,其上下晶面亦為(001)和(001)面,而側(cè)面則由{101}晶面族的八個對稱晶面和四個垂直于上下平面的{110}面組成。由于不同側(cè)面生長速度的差異,與上下晶面垂直的{110}晶面消失,最終長成與ZrAl3相似的扁平狀形貌。ZrSi2晶體生長初期的形態(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)面法線方向的生長速度相當,在完整晶體中,側(cè)面的八組對稱晶面都保留下來,而最終形成了十八面體形貌。TiAlSi相的生長模式與ZrAlSi相似：TiAl3與ZrAl3具有相似的生長過程,其完整形態(tài)也呈扁平多面體狀,而Ti7Al5Si12則與ZrSi2生長方式相似,本征形貌亦為十八面體。基于晶體合成及生長機制的研究結果,可實現(xiàn)對ZrAlSi、TiAlSi金屬間化合物的良好控制,并發(fā)揮其對不同合金的強化效用。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合金的高溫力學性能(拉伸強度、屈服強度與延伸率),而針片狀形貌的化合物則會帶來不利影響。此外,利用ZrAlSi相對A390合金中的初晶Si相進行改性,再添加Sr元素可實現(xiàn)對合金的“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沉淀相的析出及對合金組織與性能的影響對快速凝固的Al-0.5Zr和Al-3Si-0.5Zr合金進行525℃/24h熱處理,二元合金中析出了β (L12-ZrAl3)相,其與a-Al呈共格關系,沿{111}Al慣習面析出；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”位向關系。向Al-12.2Si-4.1Cu-2.0Ni-1.3Mg合金中加入0.15%Zr,改變了過飽和固溶體的狀態(tài),使合金在固溶處理(505℃/8h)過程中析出了β'相,并促進了時效階段S (Al2CuMg)相的析出,使之平均尺寸減小、體積分數(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,當向合金中添加0.2%Ti時,Ti和Zr的聯(lián)合作用改變了過飽和固溶體的狀態(tài),增加了β' (L12-(Zr,Ti)Al3)的體積分數(shù),減小了其平均尺寸,且對GP Ⅱ、η'相的析出產(chǎn)生影響,使得合金中η'相更加彌散,體積分數(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提升。
【關鍵詞】：鋁合金 Zr Ti 金屬間化合物 晶體生長 沉淀強化
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.21
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-18
• 本文創(chuàng)新點和主要貢獻18-19
• 第一章 緒論19-37
• 1.1 引言19-20
• 1.2 Zr、Ti在鋁合金中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景20-24
• 1.2.1 Ti在鋁合金中的應用20-22
• 1.2.2 Zr在鋁合金中的應用22-23
• 1.2.3 Zr、Ti在鋁合金中的應用前景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用27-30
• 1.4 本課題的研究意義及主要研究內(nèi)容30
• 參考文獻30-37
• 第二章 試驗方法37-45
• 2.1 技術路線37
• 2.2 試驗材料37-38
• 2.3 試樣制備及分析方法38-39
• 2.3.1 試驗合金的熔煉與制備38
• 2.3.2 快速凝固試驗合金的制備38-39
• 2.4 試驗樣品分析表征方法39-42
• 2.4.1 金相組織觀察39
• 2.4.2 場發(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 力學性能測試42-44
• 2.5.1 拉伸樣品加工與性能測試42
• 2.5.2 磨損樣品加工與試驗42-43
• 2.5.3 熱膨脹性能測試43-44
• 2.6 晶體學與熱力學的計算機模擬44-45
• 2.6.1 Materials Studio晶體學模擬分析44
• 2.6.2 Thermal-calc熱力學模擬分析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的結構演變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的結構演變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TiAlSi形貌和結構的影響64-66
• 3.4.2 試驗原料對TiAlSi形貌和結構的影響66-69
• 3.5 TiAlSi金屬間化合物擴散形成機制69-74
• 3.6 本章小結74-75
• 參考文獻75-77
• 第四章 Zr、Ti金屬間化合物生長機制及其控制與利用77-99
• 4.1 ZrAlSi的生長機制77-88
• 4.1.1 ZrAl_3晶體的生長機制80-84
• 4.1.2 (Al,Zr,Si)晶體的生長機制84-86
• 4.1.3 ZrSi_2晶體的生長機制86-88
• 4.2 TiAlSi的生長機制88-90
• 4.3 TiAlSi與ZrAlSi在鋁合金中的應用90-96
• 4.3.1 對Al-Si-Cu-Ni-Mg合金組織與性能的影響90-95
• 4.3.2 對A390合金組織和性能的影響95-96
• 4.4 本章小結96-97
• 參考文獻97-99
• 第五章 Zr、Ti對鋁合金時效析出過程的影響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Al-Si-Cu-Ni-Mg合金時效過程的影響110-115
• 5.2.1 TEM組織觀察及物相分析110-113
• 5.2.2 APT分析及合金硬度測試113-114
• 5.2.3 分析與討論114-115
• 5.3 Zr、Ti對Al-Zn-Mg-Cu合金時效過程的影響115-125
• 5.3.1 顯微組織觀察與時效硬化曲線115-118
• 5.3.2 不同時效時間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性125
• 5.4 本章小節(jié)125-126
• 參考文獻126-129
• 第六章 結論129-131
• 致謝131-133
• 附錄133-139
• 外文論文139-167
• 附件167

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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

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本文編號：810732