合金元素锂对Al-Cu-Mg合金时效析出行为的影响

摘要

锂是自然界最轻的金属元素，将锂作为合金元素添加到 Al-Cu-Mg合金可以获得性能优异的 Al-Cu-Li-Mg合金。该系列合金具有低密度、高刚度、高强度、抗疲劳裂纹扩展以及损伤容限性能好等优点，是当前最有发展前途和应用前景的航空结构材料。Al-Cu-Li-Mg合金是可热处理强化的铝合金，析出强化是其最主要的强化方式。根据成分和热处理工艺的不同， Al-Cu-Li-Mg合金可以在时效过程中形成多种结构不同的析出相，主要包括T1相、δ'相、θ'相、S相和GPB区等。过去的研究对合金主要强化相的结构和演变规律进行了大量的研究，得到了一系列重要的成果，但是针对 Al-Cu-Li-Mg合金复杂析出行为的研究仍然存在许多不足。(1)目前为止，人们对于T1相、δ'相、θ'相、S相和GPB区等析出相时效早期的形核机理尚未完全认识清楚。(2)另外，虽然人们已经认识到锂对Al-Cu-Li-Mg合金的微观组织和宏观性能有显著影响，但是对于锂是否会直接进入到 S相和GPB区等析出相的结构则缺乏关注，因此尚不清楚合金元素锂对 S相和 GPB区等析出相的结构、形核演变、稳定性有何影响。
　　本文采用HAADF-STEM原子成像技术和第一性原理计算等方法对Al-Cu-Li-Mg合金的时效析出行为进行了系统的研究，在测定和表征合金主要析出相及其前驱相的原子结构、取向关系、界面结构的前提下，深刻理解了 Al-Cu-Li-Mg合金中复杂的时效析出行为以及多种析出相之间的竞争演变关系，揭示了 Cu、Li、Mg等合金元素对析出序列和析出相结构的影响，得出了以下主要结论：
　　(1) S相在形核阶段形成了两类原子团簇，即cluster I和 cluster II，它们最终会演变成具有不同取向关系的两类 S相，即 type I和 type II。type I的界面由(001)S//(021)Al惯习面以及较窄的(001)S界面组成。其中(001)S面与铝基体匹配性很差，因此会在(001)S面和铝基体之间形成GPB区结构单元的缓冲层，以降低界面能。成熟的 type II颗粒包含(011)S//(053)Al惯习面，(021)S//(041)Al惯习面和台阶结构等界面。除(001)S//(021)Al惯习面之外，S相的其它界面上的原子结构都会发生一定程度的微调(改变原子种类和原子位置)，以实现与 Al基体更好的原子匹配，降低界面能。
　　(2)由于type II前驱相cluster II的横截面形貌接近等轴状，type II需要发生转动以形成(001)S，(021)S和(011)S等界面，从而降低析出相自身的界面能。形核生长阶段的type II的界面结构和取向关系一直处于演变过程中，而成熟的type II也存在多种界面结构，每一种界面都对应一种取向关系，因此实验上观察到的type II的转动角度在一定范围内变化。
　　(3) T1相，共生相和 GPB区变体是 Al-4.2Cu-1.1Li-0.3Mg低锂合金的主要强化相，Al-3.0Cu-1.7Li-0.9Mg高锂合金的主要析出相是δ'相和GPB区变体。δ'相在高锂合金中能够快速析出，严重抑制了T1相、θ'相和S相等强化相的形核与析出。对合金进行预变形处理能够促进 T1相和 S相的形核，并抑制δ'相和 GPB区变体的析出。
　　(4)δ'/GP/δ'和δ'/θ'/δ'共生相内部具有相似的界面原子结构，即界面上的 Li原子占据了界面 Cu原子的第二近邻的位置。第一性原理计算证明形成δ'/GP/δ'或δ'/θ'/δ'共生相有利于降低体系的总能量。δ'/θ'和 Al/δ'的界面能明显低于θ'/Al界面能，因此形成 Al/δ'/θ'/δ'/Al界面，取代原来的θ'/Al界面能够显著地降低体系整体的界面能。δ'/GP/δ'共生相两侧的δ'相保持反相关系，而δ'/θ'/δ'共生相两侧的δ'相既能保持反相关系，也能保持同相关系。为了满足特定的界面原子匹配，δ'/θ'/δ'共生相的同相、反相关系完全取决于θ'相夹层包含的Cu原子层数。当θ'相的Cu原子由偶数层变成奇数层时，反相的δ'/θ'/δ'共生相会变成同相的δ'/θ'/δ'共生相，反之亦然。被δ'包裹的θ'相通过逐层生长的方式增厚，因此θ'相的增厚过程涉及非常复杂的界面结构的调整(δ'相溶解重排)，因此其粗化受到明显的抑制。
　　(5) GPB区变体是一种针状的，具有准二维周期的析出相。组成 GPB区变体的基本结构单元与传统的GPB区结构不同，其基本组成成分是 Al、Cu、Mg。锂在GPB区变体的析出过程扮演了重要角色：(i)锂原子在GPB区变体的形核早期就周期性地偏聚到界面上，并且最终改变其原子结构，提高其热稳定性；(ii)锂可能会部分地取代 GPB区变体内部的镁原子。过时效阶段 S相能够以一种铝铜锂镁合金特有的异质形核机制由GPB区变体演变而成。锂会周期性地偏聚到S相的界面，第一性原理计算表明锂的偏聚能够提高其稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Al-Cu-Li-(Mg)合金的研究现状和发展趋势

1.3 Al-Cu-Li-(Mg)合金的主要析出相

1.4 合金元素对Al-Cu-Li-(Mg)合金的影响

1.5 预变形对铝锂合金微观组织和性能的影响

1.6 Al-Cu-Li-(Mg)合金研究存在的问题

1.7 本论文的研究目的和主要内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验选材

2.2 实验过程和方法

2.3 第一性原理计算

第3章 Al-Cu-Mg合金中S相的晶体学演变规律研究

3.1 引言

3.2 实验过程和方法

3.3 S相的形貌特征

3.4 成熟阶段的S相的界面与取向

3.5 生长阶段S相的取向与界面

3.6 形核阶段S相的结构和取向

3.7 分析与讨论

3.8 本章小结

第4章 锂含量对Al-Cu-Li-Mg合金析出行为的影响

4.1 引言

4.2 实验过程和方法

4.3 硬度曲线

4.4 未预变形合金的析出相形貌

4.5 锂含量对析出相和硬度变化的影响

4.6 预变形对铝锂合金的影响

4.7 本章小结

第5章 Al-Cu-Li合金中一种抑制θ'相快速粗化的界面机制

5.1 引言

5.2 实验过程和方法

5.3 共生相的析出序列

5.4 共生相的界面结构

5.5 共生相的演变机制

5.6 界面能与应变能

5.7 本章小结

第6章 GPB区变体、S相等其它Al-Cu-Li-Mg合金常见析出相的结构

6.1 引言

6.2 实验过程和方法

6.3 GPB区变体的结构测定

6.4锂在GPB区变体的界面上偏聚

6.5 S相的异质形核机制

6.6 锂在S相界面上偏聚

6.7 T1相

6.8σ相

6.9 本章小结

结论

本论文的主要创新点和以后工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文