铝合金的固态相变分析

目录

1.1前言 (1)

1.1.1铝合金研究概况 (1)

1.1.2喷射成型技术基本原理及特点 (1)

2.1铝铜合金强化机制 (2)

3.1 AI-Cu-Mg合金中的相变机理 (3)

3.1.1AI-Cu合金的脱溶沉淀 (3)

3.2 AI-Cu-Mg合金中的其他相变机理 (4)

3.2.1引入位错在合金中的相变机理 (4)

3.2.2AI-Cu-Mg合金中的相变热力学机理 (5)

3.2.3空位在AI-Cu-Mg合金中的相变机理 (6)

参考文献

摘要

喷射成形制备超高强铝合金具有密度低，比强度高等特点，在航空航天工业中被广泛用作结构材料。铝合金中的固态相变对合金的强化有很大影响。本文简单介绍了喷射成型制备超高强铝合金的发展概况和铝铜合金的强化机制，并介绍了铝合金中常见的固态相变类型。

关键词：铝铜合金形，喷射成形，固态相变，脱溶沉淀，位错

喷射成形制备超高强铝合金的强化机理

1.1前言

1.1.1铝合金研究概况

铝合金具有密度低、比强度高、韧性好耐腐蚀等优点, 在航空航天工业中被广泛用作结构材料。但是传统的铸锭冶金技术已经无法满足航空、航天工业对铝合金在使用性能方面日益增长的要求, 于是各种新型材料制备技术应运而生。高强铝合金(2000系, 7000系) 以其优异的综合性能在商用飞机的使用量已经达到其结构重量的80% 以上因此得到国内外航空工业界的普遍重视。但是传统的材料制备工艺已经无法满足现代航空航天技术对高强铝合金性能的使用要求。研究发现, 采用喷射形成技术可以避免普遍铸造合金中粗大晶粒的出现, 同时对冶金质量(Fe, Si 含量) 的要求大幅度放宽。与粉末冶金工艺相比, 喷射成形技术解决了材料氧化严重及难于成形的问题, 因此可以进一步降低成本并提高材料性能。喷射成形其主要原理在于: 熔融金属或合金液在保护性气氛中被雾化成弥散分布的液态微滴(雾化方法可以是高压气体雾化或机械离心雾化) , 雾化后的液滴在高压气体或离心力的作用下,喷射到具有不同运动方式的金属基底表面, 形成半固态薄层。经过雾化喷射过程中雾滴与气体的对流换热及沉积坯与基底的热传导, 金属或合金液迅速冷却, 从而凝固成具有不同形状和较高致密度的喷射成形金属实体。该工艺将金属的雾化过程及雾化后液滴的沉积和成形过程两个阶段结合在一起, 只经一道工序即可制备出结构致密、无宏观偏析、含氧量低的铝合金材料[1] [2]。

1.1.2喷射成型技术基本原理及特点

喷射成形是以快速凝固技术的代表技术—粉末冶金技术的发展，同时也是一种新的液态成形技术。其原理是将熔融金属雾化、并直接喷射到较冷的衬底表面上，熔滴在沉积器表面附着、堆积、铺展、融合、固结而形成具有快速凝固组织特征的沉积坯件。对于每个微小的金属单元而言，在短暂的时间内发生并完成这样一个复杂的过程，而整个金属熔液则分批、连续的经历这个过程，最后得到大尺寸的快速凝固坯锭。整个喷射沉积过程，可以直观地分为金属液释放、雾化、

喷射、沉积、沉积体凝固等五个阶段[16]，各阶段一般都有其相应的影响参数，然而很多参数是相互影响的，这给喷射成形过程控制带来困难。同时该技术涉及气体动力学、传热学、凝固理论、数值模拟、检测与控制等多学科领域，也体现了该技术的复杂性。

喷射成形的原理可以由图1-1简单描述。在高压惰性气体的喷吹力作用下，熔融金属液流将被雾化破碎成大量细小的液滴，并随气流沿喷嘴轴线方向高速飞行，同时与迅速膨胀的高压气体间进行剧烈的热交换。在液滴尚未完全凝固前，将其沉积到具有一定形状的接收基底上积累生长，通过合理设计接收基底的形状并控制其运动方式，便可从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征，晶粒细小、整体均匀致密的锭、管、板、盘等不同形状的近终形沉积坯件[2]。

图1-1 喷射成形过程示意图

2.1铝铜合金强化机制

使金属材料强化的方法之一，是在其中加入质硬，细小而呈弥散状态分布的颗粒，虽然理论上可用掺和的办法实现，但这种办法并不总是行得通的，我们一般通过选择适合的添加元素和适当的热处理方法，使第二相从它所溶解的基体中在固溶体中沉淀出来，从而得到弥散的析出相颗粒而产生强化，即沉淀硬化[3]。

[1]Al-Cu合金在时效过程中，随着时间的增加，C.P.区，θ"，θ'，θ相依次沉

淀析出，合金硬度增加。Al-Cu合金在时效过程中，早期所产生的硬化，是由于形成了C.P.区，当θ"相生成时，则会变得更加硬化。而峰值是与θ"和θ'相同时存在时的组织相对应。在时效的后期，合金的硬度将随着B相的粗化而逐渐降低，最后析出8相，如图1-1所示。作为沉淀相的C.P.区，θ"，θ'，它们和基体之间具有足够的错配度，因而在基体和颗粒之中有弹性应变产生。由于基体和颗粒之间存在应变场，与趋近的的位错应力场，要相互发生作用，从而要使位错通过应力场，可能需要增大作用力，如果位错运动到颗粒一基体界面处，则必须通过颗粒。由于产生了偏移，在位错进入和离开颗粒之处，表面能就会有所增高。同样，如果沉淀相的排列是有序的，则位错将原子迁移到原子相互排斥的位置上，也需要作功。此外，位错还可弯成弓形绕过颗粒(这样就无须切割颗粒)，将位错弯成弓形所需的力，是与颗粒间的距离成反比，随着沉淀的不断进行，颗粒不断长大，并由于新的颗粒一基体界面的增加和失配原子数目的增多，位错通过颗粒的应力也因此增高。然而，当颗粒开始粗化时，颗粒间的平均距离减小，此时位错可借弯曲的作用而绕过颗粒，这便使得合金的强度有所降低，此外，随着沉淀的继续进行，基体中的溶质原子浓度减小，故而基体中的固溶强化作用也为之降低，这一作用虽然比起沉淀硬化来通常是很小的，但它对长时间时效后的硬度确实是有影响的。铝合金主要依靠固溶强化和沉淀硬化来提高其机械性能。铜在铝中不但具有很好的固溶强化能力，而且，由于铝铜合金在沉淀过程中能形成均匀，弥散的共格或半共格过渡相，这种共格过渡相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，所以其又具有很高的沉淀硬化能力。但铝铜合金也有自己的缺点，传统的铝铜合金冲击韧性值普遍较低，铸造性能差，尤其是热裂倾向严重，这无疑影响了它在工业中的应用。当前，主要的改进方法主要是在铝铜合金中添加其它微量元素，以改善它的性能。比如:在AI-Cu合金中加入Mg，除原有的强化相CuAl2外，尚可形成新的CuMgA12强化相，形成新的强化相后，合金硬度有了很大的提高，改善了合金的性能。如在Al-Cu合金中加入稀土元素Er等，由于稀土元素在铝合金中能与其它元素化合，形成网状的金属间化合物，强化晶界，有提高合金耐热性及减轻热裂倾向的作用[4]。

3.1 AI-Cu-Mg合金中的相变机理

3.1.1AI-Cu合金的脱溶沉淀