哈工大《JMST》：含稀土铒的Al-Sc-Zr合金析出演化与力学性能！

 

在汽车应用中，对低密度、耐热机器部件有着强劲的需求，这推动了高热稳定性高强度铝合金的开发。这对科学和技术都是新的挑战，因为析出强化是传统铝合金中最常见的强化机制，而在铝合金中出现的多数第二相是亚稳态的，在 200℃时发生粗化甚至溶解。析出相粗化导致强度和结构完整性急剧下降，传统可热处理铝合金的热稳定性和蠕变抗力限制在180℃。因此，开发兼具高热稳定性和高强度的新型铝合金十分重要。稀土和金属元素的微合金化是提高Al合金性能的有效途径。已有研究证实Al-Sc-Zr合金具有作为高热稳定性/高强度材料的潜力，但由于Sc的成本高导致其应用受到限制。降低对Sc的依赖性，是打开Al-Sc-Zr合金应用潜力的一种途径。稀土元素Er已经被证明是Al合金中一种有效的微合金元素，添加Er为开发高性价比的耐热高强铝合金提供了一种有效方法，但Er对等温时效析出动力学影响的研究还不明确。

哈尔滨工业大学的研究人员探讨了添加Er的Al-Sc-Zr合金等温时效过程中析出相的演变与力学性能的关系，Er的加入显著提高了高温时效过程中的硬度，根据密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算，评估了相应的强化机制和Er微合金化对析出过程的影响。相关论文以题为“Correlation between precipitates evolution and mechanical properties of Al-Sc-Zr alloy with Er additions”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.031

本研究中含Er成分为：Al-0.07Sc-0.2Zr-0.11Er；无Er成分为：Al-0.07Sc-0.2Zr(wt.%)，相当于Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er和Al-0.04Sc-0.06Zr(at.%)。熔铸成直径70mm、高度100mm的圆柱锭，在640℃下进行固溶处理24h(水淬)，这种状态称为淬火态(AQ)，固溶后在300或400℃下时效20min-200h不等(水淬)。

 

研究发现含Er的合金表现出明显的时效硬化，在Al-Sc-Zr合金中加入Er可以显著提高析出相的形核速率，从而增强Al-Sc-Zr合金的时效硬化响应。这主要是由于Er具有较高的空位结合能。在300℃时硬化反应迅速，最终峰值硬度略高，在400℃时反应加速，峰值硬度增加40%， 这是由于形成了高密度分布良好的共格Al₃(Er,Sc,Zr)纳米级析出相，其直径小于5nm。在峰值硬度处，Orowan绕过机制是两种合金的主要强化机理。

图1 Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃时效(a)25h和(b)100h以及400℃时效(c)5h和(d)25h后的TEM图

 

图2 Al-0.04Sc-0.06Zr合金在300℃时效不同时间后的APT结果

图3 Al -0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金在300℃时效不同时间(a-b) 20min，(c-d) 25h，(e-f) 200h时的显微组织图

图4 Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金400℃时效不同时间的显微组织图

(a-b)20min，(c-d) 25h和(e-f) 200h

图 5 在300℃时效后，Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT结果

 

图6 在400℃时效后，Al-0.04Sc-0.06Zr-0.018Er合金的APT结果

 

两种合金中的析出相均表现出基于L1₂晶格结构和立方-立方取向关系的复杂构型。在无Er合金中，出现了核/壳结构，即Al₃(Sc,Zr)析出，形成富Sc核和富Zr壳，这些析出相在初始是一致的，尺寸较小。在400℃时效25 h后，晶格共格性降低，析出相直径粗化至20-40 nm。在含Er合金中，在300℃时形成了核壳结构，在400℃时出现了明显的Al₃(Er,Sc,Zr)析出相的核/双壳结构，由富Er的核、富Sc的内壳和富Zr的外层组成。

 

本文系统地研究了无Er和含Er Al-Sc-Zr合金在相对较高的温度(300℃和400℃)下等温时效后的力学硬度和微观组织演变，DFT计算有助于理顺Al-Sc-Zr(-Er)合金中观察到的析出相结构和形成机制。2NN溶质-溶质相互作用有利于所有溶质原子，这是促进L1₂结构析出相的关键特征。无Er合金和含Er合金中核/壳析出相和核/双壳析出相的形成顺序与溶质-溶质相互作用和扩散有关：在2NN位点上，Er与空位的吸引作用最强，溶质-溶质相互作用最强，而Zr的溶质-空位相互作用最弱。本文揭示了Er对Al-Sc-Zr合金时效硬化行为的有益影响，并为Al-Sc-Zr(-Er)合金时效处理的设计提供了指导。 （文： 破风 ）

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