新型耐热Al-0.2Sc-0.04Zr合金高温蠕变行为的研究

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以99.991wt.%(wt.%:重量百分比,下同)高纯Al,Al-2.12Sc及Al-4.38Zr中间合金,采用熔配方法制备AI-0.2Sc-0.04Zr(原子百分比为Al-0.12Sc-0.012Zr)合金,并在650℃下均匀化48h后水淬。基于本组前期室温拉伸和导电性能优化结果,分别进行330℃预时效189min+88.5%冷轧+330℃C再时效1h和88.5%冷轧+3300C时效1h两种加工处理。将这两种状态(预时效+冷轧+再时效和冷轧+时效)的Al.0.2Sc-0.04Zr合金分别在225,250,275和300℃温度下进行单轴拉伸蠕变试验,获得蠕变温度和应力水平对蠕变行为(最小蠕变速率εmin,蠕变断裂寿命,应力指数和激活能等)的影响,结合OM、SEM、TEM微观结构观察,分析蠕变机理。对两种处理状态的Al-0.2Sc-0.04Zr合金,其最小蠕变速率均随着应力增大和温度升高而快速增加。对预时效+冷轧+再时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金而言,施加应力范围为30-103.7MPa,最小蠕变速率εmin范围为1.0×10-8-1.2×10-4s-1。由1nεmin与lnσ关系可得表观应力指数,发现其表观应力指数由225和250℃下的20左右快速减小到275和300℃下的10水平。而对冷轧+时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金的高温蠕变,施加应力范围为55-117MPa,最小蠕变速率范围为2.8×10-8-3×10-5s-1,表观应力指数则在18-24之间。这两种处理状态的Al-0.2Sc-0.04Zr合金高温蠕变表观应力指数(10-24)均显著大于纯Al值(4.4)。如此高的表观应力指数表明:这两种处理状态下的Al-0.2Sc-0.04Zr的高温蠕变应存在门槛应力σth。仿照文献方法,假定应力指数同纯Al一样(4.4),通过数据拟合可得预时效+冷轧+再时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金εmin与应力σ和绝对蠕变温度T的关系为:εmin=1.763×10-7[σ-σth(T)]4.4exp(-(47905J/mol)/RT),且σth随温度的升高近似线性降低,经拟合可得σth=351.9-0.5731T;类似可得冷轧+再时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金εmin:εmin=3.17×10-6[σ-σth(T)]4.4exp(-(64268J/mol)/RT),且门槛应力σth=304.4-0.4368T。微结构观察表明:经冷轧和时效联合处理合金具有许多精细的胞状结构和亚晶粒,只有少量的Al3(Sc,Zr)沉淀出现在位错胞结构和亚晶粒内部,大多数沉淀相出现在胞结构壁和亚晶的晶界上。在高温蠕变断裂后,(亚)晶粒形状由225℃下的条状逐渐转变为300℃时的等轴晶结构,而且随着蠕变温度的升高,动态恢复和再结晶越彻底。蠕变断裂样品的TEM衍射花样表明:Al3(Sc,Zr)沉淀粒子仍与Al基体保持共格关系。尽管冷轧+时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金室温抗拉强度σb(184MPa)低于预时效+冷轧+再时效态Al-0.2Sc-0.04Zr合金的σb(213MPa),但是300℃下前者的σth (50MPa)显著高于后者σth(23MPa)。而且,这两种状态下的σth均比只经时效优化的Al-0.23Sc-0.04Zr (Al-0.14Sc-0.012Zr at.%)合金σth (17MPa)明显要高。这表明:冷轧和时效联合处理不仅能进一步提高Al-0.2Sc-0.04Zr合金的室温抗拉强度,还能改善合金的高温抗蠕变能力,且改善幅度与处理方法密切相关。值得重点指出的是:这两种状态的激活能(64.3和47.9kJ/mol)均显著低于文献报道值(与纯铝自扩散激活能142kJ/mol相当),而与空位激活能和晶界激活能相当。我们初步认为:激活能显著减小可能与合金晶粒尺寸(~μm)较小有关。但其内在机理还不清楚,有待于进一步深入研究。综合实验结果表明:冷轧和时效联合处理不仅能进一步提高Al-0.2Sc-0.04Zr合金室温抗拉强度,还能改善其高温抗蠕变能力,而且室温抗拉强度较低的处理方法可获得更好的高温抗蠕变能力。
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