AlCuMg合金体系中主要强化相的演变规律和相对稳定性研究

Based on our recent progresses in the study of AlCuMg (2xxx) alloys, the present project aims to intensively study the three key types of the strengthening precipitates in the alloys, i.e., the S-phase precipitates, the GPB zones and θ'-phase precipitates. Focuses of the project will be put on their evolution sequences at representative temperatures for practical use and their relative thermal stabilities for competing precipitation, in order to gain an adequate understanding of the relations between the microstructures and the forming processes and thermal processes in association with the properties of the alloys. Unlike the previous speculations that the GPB zones are the precursors of the S-phase precipitates, our recent results have demonstrated that the S-phase has its own characteristic precursors and its own precipitation or evolution sequences. Nonetheless, our observation also show that for certain alloy compositions, or at certain temperature and for certain aging times, the S-phase and the GPB zones, or even the three key types of hardening particles may compete to precipitate, and can interfere each other, forming complex microstructures with multiple phases of co-existing phases. Hence their relations in structure and in relative stabilities are the key issues that have long been interested by materials scientists, in order to understand these complex microstructures and their relations to the properties of the alloys. Using our advanced facilities in atomic-resolution imaging, in first-principles calculations and in mechanical property characterizations, these key issues can be explored in a further depth.

本项目主要以AlCuMg（2XXX）系铝合金为目标材料，在已有的工作基础上，进一步深入展开关于该合金系三种主要强化相，即S相，GPB区和θ'类析出相，在不同温度下的演变与竞争析出关系的研究，旨在揭示调控材料微观组织结构与性能的热加工与热处理工艺的本质。本项目组的近期工作探明了S相有其自身的析出规律（序列），而不是以GPB区为前驱体发展出来的。本组研究也表明在一定合金成份、时效温度和时效时间条件下，S相和GPB区，甚至这两类相和θ'类强化相可以竞争析出，相互干涉，形成多种析出相共生的复杂组织结构。这些相在结构上的相互关系，以及它们间的相对稳定性是理解该合金系复杂组织结构和性能的长期没有解决的关键科学问题。本项目组拟利用原子成像技术和能量计算以及性能测量方面的特殊优势，从根本上探索和解决上述基本科学问题和相关的工艺性能关系问题。

2000系铝合金具有非常好的强度和韧性，因而广泛应用于航空航天领域中的结构材料。2000系铝合金析出相的结构、形貌特征、分布及其演变属于未解决或尚未完全解决的科学问题之一。本项目利用先进电镜技术、力学性能测量和第一原理计算等研究手段，测定了2000系目标铝合金不同时效阶段的析出相的形貌、结构、界面以及成份；探明了纳米析出相的演变规律，尤其是GPB区、S相、θ'相、GPB区变体、θ'近似相、Ω相、δ'/GP/δ'、δ'/θ'/δ'复合相和T1相等析出相的竞争析出机制和演变规律。结果表明：时效温度对2024铝合金中GPB区和S相竞争析出有很大的影响；S相有自己的GP-S前驱相而不需要依附GPB区形核长大，相反当S相得端部挂上GPB后反而不利于端部外延生长；S相存在板条状和棒状两种形态，他们均由自己的前期团簇发展而来；Si元素添加促使2000系合金快速析出β″/β′相、含Si的GPB区、Q''相，这些前期析出相提供θ'相的异质形核位置，使峰值时效提前，并可抑制θ'相粗化；Li元素的添加可以改变Al-Cu-Mg合金析出相的结构和析出序列，促使δ'、δ'/GP/δ'、δ'/θ'/δ'共生相、T1相及GPB区变体等含Li析出相的形成，进而改善合金的比强度、比模量、断裂韧性等综合性能；δ'/GP/δ'和δ'/θ'/δ'复合相界面结构相同，界面上的Li与Cu原子均处于次近邻关系，这种特殊的界面关系抑制了δ'/θ'/δ'复合相的增厚。另外，本项目还结合形变热处理工艺调节和合金成份调节等研究手段，探明了2000系合金中预变形对后续时效析出和组织演变的影响。发现：对低Cu/Mg合金而言，预变形抑制GPB区形成而促使S相形成；对高Cu/Mg合金而言，预变形促使Ω相形成；对含Li的AlCuMg合金而言，小变形促使T1相形成；对Al-Cu合金而言，大的预变形促使细小的θ'近似相均匀弥散析出。总之，本项目结合实验观察和理论分析开发出可以改善高强2000系铝合金性能的工艺。我们的研究加深了人们对2000系铝合金在原子尺度、纳米尺度的微观结构与其演变规律及其与性能和工艺关系的理解。