Sc元素对轧制Al-Cu合金组织演化和力学性能的影响

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航空航天、汽车船舶等工业领域的快速发展以及双碳周期的开启对轻量化材料性能的要求日益提高。Al-Cu系合金具有比强度高、易加工、成本低等特点,在材料领域应用广泛。但是,轻量化发展对Al-Cu系合金的强塑性提出了更高的要求。此外,Al-Cu系合金的主要强化相为亚稳态θ’-Al2Cu,其在高温下易粗化,导致合金高温强度和热稳定差,亟需开展相关研究,提高其高温力学性能。通过微合金化、塑性加工及合适的热处理,有望开发出高强塑和热稳定优异的Al-Cu系合金。在Al-Cu系合金中添加微量合金化元素Sc,可细化基体晶粒,促进θ′析出相形核,提高其数密度和高温稳定性。轧制作为应用广泛的塑性加工方法之一,可获得性能优良的Al合金。因此,本文通过轧制和低温时效相结合的工艺,制备了高强塑Al-Cu-Sc合金,并借助多种组织表征和性能测试方法,得出主要结论如下:(1)主合金化元素Cu及微合金化元素Sc均可细化铸态Al基体晶粒,随着Sc含量增加,α-Al基体组织呈现枝晶向等轴晶转变的趋势。铸态合金存在球状和连续条状粗大初生相以及严重的成分偏析。双级均质化处理后,Al-Cu-Sc合金的α-Al相由枝晶全部转变为等轴晶,成分偏析消失;随着Sc含量的增加,晶粒细化显著。(2)均质态合金经轧制变形处理后强度明显提高,揭示了轧制Al-Cu-Sc合金的室温强韧化机制。冷轧Al-3Cu-0.5Sc合金屈服和抗拉强度分别高达~340 MPa和~358 MPa,主要是由于Sc元素的微合金化作用提高了合金固溶强化、位错强化及晶界强化对屈服强度的贡献;依赖于高Cu溶质的固溶强化增强,温轧Al-5Cu-0.5Sc合金屈服强度进一步提高至~391MPa。(3)研究了Sc元素对轧制合金时效析出的微合金化作用,并揭示了时效Al-Cu-Sc合金的强韧化机制。低温时效(120 ℃)可以缓慢提高轧制Al-3Cu-y Sc合金硬度,并在45 h左右达到峰值。由于低温峰值时效合金晶粒内部析出纳米θ’-Al2Cu相,导致其室温强度和塑性相较于冷轧合金同时提高。时效Al-3Cu-0.5Sc合金屈服强度和均匀延伸率高达~375 MPa和~6.6%,这主要归因于时效过程中Sc元素促进纳米θ’相的形核析出,提高了析出强化对屈服强度的贡献。(4)探究了Sc元素对时效Al-3Cu合金高温强度的影响。在300 ℃高温拉伸过程中,峰值时效(120 ℃)Al-3Cu合金的再结晶比例逐渐增加,合金高温强度较低;而加入0.5 wt.%Sc后,合金高温屈服和抗拉强度增加~39 MPa和~36 MPa,归因于Sc元素提高了合金晶粒的热稳定性,动态再结晶受到抑制。
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