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    作者：張磊  

    Al-Cu系鑄造鋁合金，因其具有較高的強(qiáng)度、好的塑性、耐高溫性、易切削加工和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，成為高強(qiáng)鑄造鋁合金研究方向之一。其中新型211Z.1鑄造鋁合金以普通鋁替代高純鋁為基體材料，通過(guò)獨(dú)特的合金成分設(shè)計(jì)、優(yōu)化熱處理工藝制度，實(shí)現(xiàn)了2112.1鋁合金高強(qiáng)、高韌、高硬、高溫的優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。前期針對(duì)2112.1鑄造鋁合金相轉(zhuǎn)、高溫力學(xué)性能、疲勞特性、組織性能等方面進(jìn)行了研究，但對(duì)該合金微觀組織結(jié)構(gòu)方面的探討還不夠深入。本課題通過(guò)對(duì)新型211Z.1耐熱高強(qiáng)韌鑄造鋁合金熱處理后微觀組織結(jié)構(gòu)的研究，探討其物相的析出行為和對(duì)鋁合金性能的影響。

    1  試驗(yàn)材料制備和測(cè)試

    試驗(yàn)所采用的211Z.1合金的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：4. 0%～7.5%的Cu，0.2%～0.6%的Mn,0.1%～0.2%的Ti,0.1%～0.4%的Cr,0.1%～0. 3%的Cd，0.1% No．2%的RE，余量為Al。在RJJ-井式電阻坩堝爐中進(jìn)行熔煉，加入精煉劑精煉后，在720--740oC澆入金屬型鑄造出拉伸試樣，金屬型溫度為290～310 oC。拉伸試樣熱處理工藝：(545±5)℃×16 h固溶，40～50oC水淬，152℃X12 h時(shí)效。采用CMT5105型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。選取力性能較好的（σh一515 MPa.8=6.1%）試樣，在O—LYMPUSGX41金相顯微鏡上進(jìn)行金相觀察；用FEIQuanta 3D FEGSEM和Tecnai G2 F20 TEM等設(shè)備對(duì)試樣的顯微結(jié)構(gòu)和微區(qū)的成分進(jìn)行測(cè)試分析。

    2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1  彌散分布的T相

    圖1是211Z.1鋁合金熱處理后的金相組織。試樣中晶粒尺寸較均勻，形狀規(guī)則，晶界平滑，晶界相交處未出現(xiàn)大塊共晶相，且在α基體中分布著彌散細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)。

    圖2為211Z.1鋁合金的STEM照片和能譜圖（觀察方向?yàn)閇O01]AI）。由圖2可見(jiàn)，晶內(nèi)存在棒狀的顆粒，顆粒的長(zhǎng)度在600 nm左右，直徑為80 nm左右。棒狀顆粒主要沿3個(gè)垂直方向生長(zhǎng)，即沿Al基體的[001]方向生長(zhǎng)。EDS分析發(fā)現(xiàn)Al、Cu、Mn的摩爾比為20：2：3，與T-Al20Cu2Mn3相較為符合。彌散分布在α固溶體中的T相，能改善合金的屈服強(qiáng)度和高溫性能，T相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，分布越均勻，對(duì)合金的強(qiáng)化效果越突出，性能越好。

    2.2  附著在T相上生長(zhǎng)的 '相

    圖3是211Z.1鋁合金組織內(nèi)HAADF-STEM圖像。可以看出棒狀T相的周?chē)�附有形狀不�?guī)則的尺寸為100 nm左右的細(xì)小顆粒，見(jiàn)圖3中白色箭頭。對(duì)棒狀相和附著相進(jìn)行EDS分析（結(jié)果見(jiàn)圖3和表1），發(fā)現(xiàn)棒狀相主要成分為Al、Cu、Mn，根據(jù)摩爾含量配比應(yīng)該為T(mén)-Al20Cu2Mn3相，而附著相跟T相相比，Mn的含量降低，Cu的含量增加，推斷為Al2 Cu相。

    圖4為從沿T相軸方向觀察的STEM圖像，可以看出T相周?chē)�確實(shí)附著有一些顆粒，且這些析出相長(zhǎng)度方向與Al基體的[100]A1取向相同，見(jiàn)圖4a中箭頭所指。從圖4b可知，這些附著的顆粒為臼相。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是由于在生長(zhǎng)的過(guò)程中T相顆粒與周?chē)�的Al基體的晶格點(diǎn)陣不匹配產(chǎn)生了很大的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致'析出相等很容易在應(yīng)力場(chǎng)處形核長(zhǎng)大。

    2.3 α-AI基體中彌散分布的片狀析出相。

    圖5是211Z.1鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)分布。從圖5可以看出，晶體內(nèi)部分布最多的是細(xì)小析出相，分為片狀和球狀兩種。片狀顆粒長(zhǎng)度方向與Al基體的[100]A1取向相同。

    在圖5中觀察到的尺寸較小的片狀析出相和團(tuán)簇，是在時(shí)效過(guò)程中形成的。2系鋁合金經(jīng)固溶、淬火后時(shí)效熱處理的強(qiáng)化效果顯著。固溶處理最大限度地使合金元素（主要是Cu.Mg）溶入鋁基體中，形成過(guò)飽和固溶體，在人工時(shí)效過(guò)程中，合金中的過(guò)飽和溶質(zhì)原子和空位擴(kuò)散、脫溶，形成納米級(jí)析出強(qiáng)化相（如原子團(tuán)簇、GP區(qū)、相等。由于這些析出相及其引起的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得合金的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能大大提高。

    圖6為沿[100A1取向的STEM圖。從圖6中可以更清晰地看到這些細(xì)小析出相的形貌特征。小球狀析出相的直徑為2 nm左右，而片狀析出相有兩種，較大的片狀析出相厚度為1～3 nm，長(zhǎng)度為40～150 nm，較小的片狀析出相厚度為1～2 nm，尺寸為10 N30  nm�？傮w來(lái)說(shuō)球狀析出相和較大的片狀析出相在基體中分布比較均勻，且數(shù)量很多，而較小的片狀相則大多分布在晶界和粗大的第二相附近。電子衍射花樣（見(jiàn)圖7）可以確定有''相和'相共同存在，還可以看出這些析出相與基體之間存在共格關(guān)系。

    2系鋁合金經(jīng)固溶、淬火后時(shí)效熱處理強(qiáng)化效果顯著。固溶處理最大限度地使合金元素（主要是Cu、Mg）溶入鋁基體中，形成過(guò)飽和固溶體。在時(shí)效過(guò)程中，合金中的過(guò)飽和溶質(zhì)原子和空位擴(kuò)散、脫溶，形成納米級(jí)析出強(qiáng)化相，目前在這些合金中主要的析出相及其析出序列普遍被認(rèn)為是：SSSS→GP I→GPⅡ（或''相）一'相→平衡相。

    2.4    a-AI基體中彌散分布的球狀析出相

    2112.1鋁合金彌散球狀相分布隨機(jī)，沒(méi)有規(guī)律性，尺寸約為2 nm（見(jiàn)圖8a和圖8b）。從[100]A1和[110]A1兩個(gè)取向下的高倍STEM像可以確定，球狀相與Al基體在結(jié)構(gòu)上完全共格，只存在成分上的不同。對(duì)球狀相做面掃描和EDS分析（見(jiàn)圖9），發(fā)現(xiàn)彌散球狀相中含

有Cd元素，但Cd元素的摩爾分?jǐn)?shù)尚未確定，因球狀析出相太小，EDS譜中包含有大量Al基體的信息。

    魏曉偉等在研究ZL201A鋁合金時(shí)，對(duì)鋁合金中加Cd后的力學(xué)性能、微觀組織以及Cd在合金中存在形式等一系列問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。合金中固溶的Cd與Cu形成Cu-Cd空位群，部分未溶的Cd或含有Cd的析出相起到時(shí)效核心作用，能降低析出相與母相的界面能。添加適量的Cd會(huì)使鋁合金的強(qiáng)化作用增強(qiáng)，原因是由于''相和'相的配比改變，尺寸、間距減小、數(shù)目增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙更為復(fù)雜。

    3  結(jié)  論

    (1) 211Z.1鋁合金中存在的主要微觀組織：GPI區(qū)、''_Al3 Cu相及'Al2 Cn3相，這3種物相都是片狀，為尺寸小于100 nm的細(xì)小析出相。

    (2)晶體內(nèi)部彌散分布直徑約為80 nm、長(zhǎng)度約為600 nm的棒狀T-Al20 Cu2 Mn3相，T相與鋁基體沿棒軸方向[010]共格，T相周?chē)�附著有尺寸較大的'相。

    (3)基體中還存在大量尺寸為2 nm左右的球狀顆粒的合Cd相，與基體完全共格。

    4摘要

    利用金相顯微鏡、球差校正掃描透射電鏡、透射電鏡( TEM)、電子背散射衍射分析技術(shù)(EBSD)和X射線能譜(EDS)等分析方法，對(duì)新型耐熱高強(qiáng)韌鑄造鋁合金(211Z.1)熱處理后的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，211Z.1鋁合金微觀組織由尺寸小于100 nm的GPI區(qū)、''-Al2Cu相及'-Al2Cu相組成。晶體內(nèi)部彌散分布直徑約為80 nm、長(zhǎng)度約為600 nm的棒狀T-Al20Cu2 Mn3相，T相周?chē)�附著尺寸較大的日7相。基體中還存在尺寸在2 nm左右的球狀顆粒狀Cd相，與基體完全共格。