上海交大《MD》：預(yù)處理對噴射成形Al-Zn-Mg-Cu合金組織性能影響

來源：材料科學與工程

鋁合金由于比強度高，具有出色的機械性能與斷裂韌性組合而廣泛用于航空航天等領(lǐng)域。通過調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，減少偏析或多種加工方法（例如嚴重的塑性變形、快速凝固技術(shù)等），可以提高強度和延展性。在所有這些方法中，噴射成型（SF）作為快速凝固技術(shù)之一可以通過連續(xù)沉積霧化合金來制造大塊坯料，其優(yōu)點是等軸晶粒細小，偏析度低并且減少了熱裂紋。因此，SF已經(jīng)被認為是用于開發(fā)高強度鋁合金的關(guān)鍵技術(shù)。對于SF技術(shù)鋁合金的研究大量集中于合金設(shè)計，熱變形行為和后續(xù)熱處理，很少有研究關(guān)注SF鋁合金在熱處理過程中的顯微組織穩(wěn)定性以及對力學性能的相關(guān)影響。

上海交通大學等單位的研究人員探討了噴射成形Al-Zn-Mg-Cu合金的顯微組織穩(wěn)定性和力學性能，熱擠壓前增加預(yù)處理以改善合金微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究了預(yù)處理對合金晶粒尺寸和組織演變的影響，經(jīng)預(yù)處理的合金屈服強度和抗拉強度分別提高了171MPa和143MPa，討論了預(yù)處理后合金的強化機理。相關(guān)論文以題為“Effect of pretreatment on microstructural stability and mechanical property in a spray formed Al-Zn-Mg-Cu alloy”發(fā)表在Materials and Design。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109618

本研究首先制備SF鋁合金坯料，將純Al、Zn、Mg，Al-Cu和Al-Zr中間合金在993-1073K的氮氣中完全熔化并霧化，霧化沉積距離為650mm，沉積后7050鋁合金成分為：Al -6.52Zn -2.53Mg -2.39Cu -0.12Zr（wt%）。HH1樣品未經(jīng)預(yù)處理，直接擠壓加工成直徑10mm棒材（擠壓比16，400℃，0.8mm/s），擠壓后進行477℃×60min固溶（水淬），再進行120℃×24h時效（T6）；HH2樣品進行300℃× 36h + 470℃× 15h預(yù)處理（水淬），擠壓、固溶、時效工藝均與HH1相同。

研究表明，兩種不同處理合金微觀結(jié)構(gòu)相似，沿擠壓方向顯示<001>+〈111〉纖維織構(gòu)。HH1和HH2的平均晶粒尺寸分別為8.9μm和11.4μm，與常規(guī)SF工藝相比，預(yù)處理可以大大阻礙SF 7050鋁合金晶粒長大，固溶處理6min后，HH1樣品晶粒以長大完成并發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，而HH2樣品長大并不明顯，表現(xiàn)出與擠壓后相似的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)預(yù)處理后組織穩(wěn)定性的提高歸因于預(yù)處理引入大量彌散的Al3Zr顆粒，這些相能夠釘扎位錯、晶界和亞晶界，還能夠優(yōu)化后續(xù)人工時效的析出狀態(tài)。

圖1 擠壓后HH1和HH2顯微組織對比

(a-d) 擠壓后；(e,f)固溶后

圖2 HH1和HH2的晶粒尺寸分布和長寬比

(a,b)擠壓后；(c,d)固溶后

圖3 T6狀態(tài)下擠壓棒的EBSD圖

合金的加工硬化行為受到預(yù)處理和時效處理的顯著影響，Al3Zr顆粒是預(yù)處理對加工硬化率（WHR）影響的主要原因，時效對WHR的影響是由于析出相引起的，對位錯滑移有一定阻礙作用，經(jīng)預(yù)處理后的鋁合金屈服強度和抗拉強度分別從512MPa和602MPa提升至683MPa和745MPa。

圖4 顯微組織演變

圖5 (a)固溶HH1樣品中的BF圖像；(b)BF圖像顯示HH2樣品中Al3Zr釘扎在晶界上；(c)HH2樣品中的暗場圖像；(d,e)Al3Zr的HRTEM對應(yīng)的FFT圖

圖6 示意圖顯示了在預(yù)處理，熱擠壓和固溶處理過程中與沉淀物相關(guān)的位錯演變

（a）HH1樣品，（b）HH2樣品

總的來說，本研究系統(tǒng)地探討了SF7050鋁合金的組織穩(wěn)定性和力學性能，提出了新的預(yù)處理方法，顯著增強了組織穩(wěn)定性和力學性能，本文為設(shè)計高性能鋁合金和噴射成形的進一步應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風）