Ag、Mg、Er对Al-Cu-Mg-Ag合金原子团簇形成、演变及力学性能的影响

摘要

Al-Cu-Mg合金因较高的强度、较好的耐热性能以及优异的抗疲劳损伤性能，广泛应用于航空航天领域。添加微量的Ag元素将促进Al-Cu-Mg合金{111}α面上析出均匀弥散的耐热Ω相，从而进一步提高Al-Cu-Mg合金的强度和耐热性能。本学位论文通过室温/高温力学性能测试、维氏硬度测试、高温蠕变性能测试和疲劳裂纹扩展速率(FCP)测试，并借助金相、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及三维原子探针(3DAP)等分析手段，详细研究了不同热处理状态、不同元素含量的变化及外加应力等因素对Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织中原子团簇及析出相形成、演变过程及力学性能的作用规律，得出以下结论:
　　(1)170℃×0.5h态2524合金疲劳裂纹尖端塑性变形区内微观组织的TEM和3DAP分析表明大尺寸的原子团簇在裂纹尖端小范围强塑性变形的作用下发生溶解。
　　(2) T351态2524合金在150℃的时效硬化效应要强于相应的170℃×0.5h态;添加0.54Ag明显加快未预变形2524合金的时效硬化速率，而预变形抑制2524+Ag合金中Ω相的析出，降低了时效响应速率。170℃×0.5h态2524及2524+Ag合金均表现出比相应T351态更优异的抗疲劳损伤性能，这是因为人工欠时效促进合金中大尺寸原子团簇的形成;而150℃长时间时效500h显著降低两种合金T351和170℃×0.5h态的疲劳裂纹扩展抗力。
　　(3)首次完成不同Mg含量Al-Cu-Mg-Ag合金在165℃时效初期不同原子团簇的3DAP定量分析，发现随着Mg含量的增加，合金微观组织的特征从富含小尺寸原子团簇逐渐向大尺寸GPB区转变。时效初期Ω相的数量密度随着Mg含量的增加呈现出先上升后下降的变化过程，0.81Mg合金中Ω相的数量密度最高(10.67×1022no./m3)，且1.18Mg合金中Ω相的数量密度(8.1×1022no./m3)也明显高于0.39Mg合金(5.39×1022no./m3)。3DAP定量分析表明Ω相的形核受到Mg-Ag原子团簇的数量密度以及Ω相与其他析出相、原子团簇之间竞争关系的共同作用。三种合金165℃时效5min-2h的析出过程可依次概括为:
　　0.39Mg合金:SSS→G.P区+Mg-Ag原子团簇→G.P区+Mg-Ag原子团簇+θ'相→G.P区+θ'相+Ω相;
　　0.81Mg合金:SSS→G.P区+Mg-Ag/Cu-Mg原子团簇→G.P区+Mg-Ag/Cu-Mg原子团簇+GPB区→G.P区+Cu-Mg原子团簇+GPB区+Ω相;
　　1.18Mg合金:SSS→Mg-Ag/Cu-Mg原子团簇+GPB区→Mg-Ag/Cu-Mg原子团簇+大尺寸GPB区→Cu-Mg原子团簇+GPB区+Ω相。
　　(4)通过TEM和3DAP定量分析首次确认Ag含量的增加可以提高Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的形核率和数量密度，从而改善合金的室温/高温力学性能。200℃热暴露微观组织的TEM定量分析表明Ag含量的增加可以提高Ω相的粗化抗力，这主要源于Mg-Ag原子偏聚层中Ag原子的不断富集可以提高其界面结构的稳定性，降低了偏聚层的迁移速率，延缓了台阶的形成，从而限制Ω相的增厚。
　　(5)200℃×240MPa条件下高温蠕变后欠时效态Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相的取向性分布表明应力对Ω相析出行为的影响不仅仅作用于形核阶段，也作用于其长大、粗化过程。HRTEM观察首次确认应力诱导Ω相的加速粗化现象源于外加拉应力显著促进粗化台阶在Ω相宽面上的形核。3DAP分析迸一步表明Ag含量的增加可以延缓拉应力对台阶形核的促进作用，从而降低Ω相的粗化速率。
　　(6)稀土Er元素抑制Al-Cu-Mg-Ag合金人工时效过程中Ω相的析出，促进θ'相的形成。稀土Er元素可以显著降低Al-Cu-Mg-Ag合金的疲劳裂纹扩展速率，并扩大疲劳裂纹稳态扩展区的范围，当△K接近40MPa·m0.5时，疲劳裂纹仍处于稳态扩展阶段。含Er合金较高的疲劳裂纹扩展抗力与其较大的晶粒尺寸以及曲折的疲劳裂纹扩展路径有关。