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材料的可持续发展需要建立在节约能源和保护环境的基础上,Al-Mg系合金作为轻质、环境友好的结构材料已广泛应用于航空航天,海洋船舶和汽车工业中。近年来,在传统Al-Mg合金基础上发展起来的Al-Mg-Sc-Zr合金,由于低密度、高强度、耐蚀、可焊而倍受关注。
本文采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针、X射线衍射等手段,通过不同温度下的拉伸、室温韦氏硬度、腐蚀、动电位极化测试等实验方法,系统研究了Al-6Mg-0.2Sc-0.15Zr-(Ni)(wt.%)合金的显微组织、力学性能、变形行为、腐蚀性能和元素Ni的影响。
实验结果表明,添加0.2Sc和0.15Zr(vvt.%)的Al-Mg合金铸态组织为完全等轴晶,凝固冷却过程中会析出两种壳状的初生Al3(Sc,Zr)相,随后继续冷却时会从固溶体中析出共格的L12型Al3(Sc,Zr)相。
利用Gleeble-2000热模拟机研究了铸态Al-Mg-Sc-Zr合金的热变形行为。通过不同温度、不同变形速率下的压缩应力—应变曲线,根据材料的动态模型,绘制出合金的加工图谱和不稳定图谱。确定适合铸态合金热加工的工艺为420℃-460℃之间,变形速率不大于5 s-1,变形量小于50%。
由于Al3(Sc,Zr)相的Zener Drag作用,冷变形Al-Mg-Sc-Zr合金的再结晶过程是缓慢进行的,在300℃以下保持稳定的组织和性能;400℃加热,硬度开始下降,局部发生再结晶;500℃加热时,Al3(Sc,Zr)沉淀相迅速粗化,经过100 h后合金已经发生完全再结晶。
Ni含量小于1.0wt.%对Al-Mg-Sc-Zr合金铸态的等轴晶粒没有明显影响。当Ni含量增加到2.0 wt.%时,合金的组织为完全树枝晶。这是因为在Al和Al3(Sc,Zr)相的界面上产生的错配位错,影响了Al3(Sc,Zr)的沉淀析出行为,导致类不连续沉淀的发生。
添加0.1 wt.%Ni的Al-Mg-Sc-Zr合金具有较好的室温、高温性能和持久寿命,这与弥散细小的不共格含Ni相的作用有关。当Ni含量增加时,粗大的Al3Ni相对合金的力学性能影响不大。
在225℃/50MPa持久拉伸时,由于Al3(Sc,Zr)沉淀相对位错的钉扎和拖拽作用,显著地提高Al-Mg合金的持久寿命。复合添加0.1wt.%的Ni,形成了不共格的Al(Mn,Ni,Fe)、Al(Mn,Ni,Cr)和Al3Ni相增加合金的临界应力和蠕变抗力,降低蠕变速率,使Al-Mg-Sc-Zr合金的持久寿命提高了一倍多。另外,具有再结晶组织的合金比形变态的合金具有更高的持久寿命。
在NaCl-HCl溶液中,Al-Mg-Sc-Zr-Ni合金中的Al3Ni相充当阴极。Al3Ni颗粒周围的阳极Al3Mg2相和Al-Mg固溶体容易优先被腐蚀,成为裂纹的萌生源。Ni含量的增加,加剧了合金的腐蚀行为。