多尺度微结构铝钪合金的制备及其强韧化机理研究

The main problems existing in high performance aluminum alloys are the comprehensive performance and the uniformity can not meet the design requirements. Based on the preliminary research on the component control of Al-Mg-Si-Sc alloy, the project proposed to simultaneously improve the toughness and strength of Al-Mg-Si-Sc alloy. As nanostructured aluminum alloys via SPD have been demonstrated and significantly improved the strength of materials, processes of cryorolling and annealing treatment will be used to improve the strength and toughness of the Al-Mg-Si-Sc alloy at the same time. Low temperature environment which afforded by liquid nitrogen will be utilized when producing nanostructure alloys by multi-pass rolling technology. Then the alloy strengthen mechanism will be studied by analyzing the relation between bi-modal structure, precipitated phase and dislocation slide after the annealing treatment. Meanwhile, the toughening mechanism will be researched by calculating of dislocation density difference before and after the tensile test, which followed by analyzing the relationship of dislocation distribution and species of precipitated phase. Finally，the mechanical properties of bi-modal structure Al-Mg-Si-Sc alloy would be improved by establishing the relationship of dislocation and Al3Sc, which would develop the prototype of high performance aluminum alloy. All the achievements of this project are supposed to provide new technology and theory for fabricating high performance aluminum alloys.

高性能铝合金材料目前存在的主要问题是综合性能和均匀性不能满足设计要求。项目以综合提高Al-Mg-Si-Sc合金的强度和韧性为目标，采用固溶处理并在液氮环境中冷却后经多道次轧制制备纳米晶合金，系统研究变形量与温度共同作用下的铝钪合金塑性形变与微观组织演变行为；示差扫描测定结合试验探索合理的低温退火工艺，研究温度和短期保温时间对相成长与分布的影响规律及作用效果，获得粗晶、超细晶、纳米晶共存的多尺度微结构铝钪合金，掌握组织结构的形成与演变规律以及调控方法；对合金进行双级时效处理试验，定量探索应变硬化率的变化所对应的位错密度及位错组态，探明其对多尺寸微结构铝钪合金韧性的影响机理，确立映射合金韧性与强度的位错、Al3Sc及多尺度微结构最佳模式，形成新型高性能铝合金的原型。以期为制备高强高韧铝合金提供新的方法和理论支持。

项目以提升典型6系铝合金强韧化为目标，引入稀土元素制备Al-Mg-Si-Sc 合金，多组试验测取退火工艺、固溶时效工艺、大变形不同顺序下合金的微观组织以及力学性能，以探索合理的工艺获得多尺度微合金结构。研究退火热处理关键参数对相成长与分布的影响规律及作用效果，确立映射合金强度和塑性的多尺度组织模式；双级时效处理确保Al3Sc 质子和Mg2Si 强化相的析出及均匀分布，获得高性能铝合金原型以及该合金的热处理工艺参数。.研究发现：熔炼铸造制备的Al-Mg-Si-Sc-Zr铸锭存在晶内偏析、区域偏析等现象。均匀化处理后通过热压缩实验建立了合金的热加工图，确定了合金热的热轧温度为460℃，经热轧后平均晶粒尺寸减小35%，至77.11μm，且在热轧过程中有Mg2Si和Al3(Sc,Zr)相析出。对液氮控温轧制80%变形量的合金板材进行200℃、250℃、300℃和350℃等温退火，通过MWH方法计算发现，随着退火温度的升高，合金发生回复，位错密度不断下降；当温度达到300℃时开始发生再结晶，至350℃时再结晶程度进一步增大，合金内部再结晶晶粒占36.2%。.对热轧后的材料在580℃下固溶处理（ST）1h，此时材料的硬度为56.38HV，材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为112MPa、258MPa和26.5%，最大晶间腐蚀深度为192.1µm。对ST后的材料分别进行80%变形量的室温轧制（RTR）和低温轧制（CR）。发现在CR状态下，可以获得更加细小的晶粒尺寸、更大的位错密度和更好的性能。CR状态材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：362MPa、390MPa和10.1%，最大晶间腐蚀深度为67µm。.对ST、RTR、CR状态的材料进行DSC研究发现，变形后的DSC曲线均向左发生了偏移，这主要是因为变形后在基体中形成了大量的位错结构，作为溶质扩散的短通道，促进原子的迁移，降低了析出物析出的活化能。而CR处理后，DSC曲线向左偏移的程度更大，经过析出动力学计算，CR状态的激活能最低。对三种状态的合金进行双级时效处理，确定了双级时效工艺为：ST：300℃×10min+180℃×6h； RTR：300℃×20s+160℃×1h；CR：300℃×15s+160℃×1h。双级时效处理CR状态的合金抗拉强度和伸长率分别为455MPa和10.3%，最大耐晶间腐蚀深度为42µm。