Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金（7xxx系列）由于其優(yōu)異的強(qiáng)度，高韌性，延展性和耐應(yīng)力腐蝕性得到人們的廣泛關(guān)注。Al-Zn-Mg-Cu系合金的化學(xué)成分，尤其是Zn，Mg和Cu元素的含量對(duì)性能影響很大，合金性能還可通過熱處理，變形，淬火等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。Al-Zn-Mg-Cu系合金的時(shí)效析出序列通常為：過飽和固溶體（SSS）→共格的富Zn，Mg（Cu）的團(tuán)簇或共格GP區(qū)→亞穩(wěn)η′相（MgZn₂，半共格）→穩(wěn)定η相（MgZn₂，非共格）。在鋁合金中加入鈧（Sc）或鋯（Zr）能減小平均晶粒尺寸，提高再結(jié)晶溫度，改善合金機(jī)械性能，現(xiàn)階段人們對(duì)進(jìn)一步改善含Sc和Zr的Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能十分關(guān)注，對(duì)熱處理過程中發(fā)生的強(qiáng)化機(jī)制還不明確。

捷克查爾斯大學(xué)的研究人員針對(duì)Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe（-0.23Sc-0.19Zr）合金，探討了熱處理初期析出相和空位失配缺陷的類型及變化趨勢(shì)。相關(guān)論文以題為“Phase transformations in novel hot-deformed Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe（-Sc-Zr） alloys”發(fā)表在Materials and Design。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108821

本研究設(shè)計(jì)兩種合金，Al-Zn-Mg-Cu系合金為Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe，另一種含0.23Sc和0.19Zr，其余合金含量相同。熱變形為在300℃下熱軋（壓下率10%）。等時(shí)非等溫退火起始溫度分別為室溫，120℃和240℃（升溫速率1℃/min）。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管兩種合金晶界處都具有T相（Al₂Mg₃Zn₃或Mg₃₂（Al，Cu，Zn）₄₉結(jié)構(gòu)）和α-Al（Mn，F(xiàn)e，Si）相（fcc結(jié)構(gòu)）共晶相，在AlZnMgCuSiScZr合金一些晶粒芯部中檢測(cè)到層狀不連貫的含Sc，Zr的原始相顆粒。與通常觀察到的Al₃Sc核或Al₃Zr核相反，Sc和Zr元素均形成了初級(jí)粒子的關(guān)鍵部分Sc，Zr核。熱變形合金中含Sc，Zr顆粒的存在會(huì)減小晶粒尺寸（在AlZnMgCuSi中為50-100μm，在AlZnMgCuSiScZr中約為20μm合金）。在晶粒內(nèi)部觀察到了約100nm的穩(wěn)定的S相（Al₂CuMg）顆粒。衍射圖表明，在晶粒內(nèi)部中存在GP區(qū)以及六角形η‘相的前驅(qū)體（MgZn2）。

圖1 熱變形狀態(tài)的SEM圖像（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

圖2 熱變形的AlZnMgCuSiScZr合金中非共格的含Sr，Zr的粒子

退火溫度越高，GP區(qū)和η’相顆粒的溶解度越低，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳^高的溫度下溶解并使穩(wěn)定相析出。在150℃溫度以上，晶粒內(nèi)部形成了相當(dāng)數(shù)量的非共晶T相。DSC觀察到，這種析出伴隨有熱量釋放。結(jié)果表明，非共晶T相的析出可能始于較低溫度的等時(shí)退火。

圖3 熱變形狀態(tài)的TEM圖像（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

圖4 CDB曲線的溫度變化（與純Al參考相比）（a）AlZnMgCuSi合金，（b）AlZnMgCuSiScZr合金

對(duì)PAS的詳細(xì)分析顯示，GP區(qū)和η‘相粒子僅包含Zn，Mg和Al。在120°C以上時(shí)，優(yōu)先消除在Cu，Si和Al離子附近。它對(duì)應(yīng)于析出的T-phase Mg₃₂（Al，Cu，Zn）₄₉和S相Al₂CuMg。Si溶質(zhì)在該合金成分中表現(xiàn)出最高的空位結(jié)合能。因此，研究的合金中T相和S相顆粒之間的界面處的失配缺陷很可能被Si溶質(zhì)改善。Sc和Zr對(duì)析出的早期階段影響較小。

綜上所述，本文研究了在等時(shí)（非等溫）退火過程中熱變形的Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe（-Sc-Zr）合金中析出相附近的晶格缺陷。正電子會(huì)困在GP區(qū)或含Zn和Mg的η’相粒子的前驅(qū)體中。本研究為Sc、Zr在高強(qiáng)度鋁合金中的作用提供了理論基礎(chǔ)。