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参考文献

摘要
1 动力学理论▲
2 实验▲
3 结果与计算▲
4 分析与讨论▲
5 结论▲
参考文献
图▲

中国有色金属学报 2003,(04),876-880 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.012

Li对Al-Zn-Mg-Cu系合金GP区转变动力学的影响

魏芳赵中魁周铁涛刘培英张永刚陈昌麒

北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083

摘要：

Al Zn Mg Cu系合金在较低温度时效时,形成2种类型的GP区:GP(Ⅰ)区和GP(Ⅱ)区。选用7075,7075+0.58%Li,7075+0.89%Li和7075+1.0%Li4种合金进行343K,240h和393K,24h时效,以获得GP区,并通过DSC实验结果,用Avrami Johnson Mehl(AJM)表达式计算了GP区溶解动力学参数,从而定量地研究Li对7075合金GP区转变的影响。结果表明:经过343K,240h时效后,含Li的7075合金的GP(Ⅰ)区溶解激活能较7075合金的略低,Li促进GP(Ⅰ)区的形成;经过393K,24h时效后,2种合金GP区溶解激活能相差不大。

关键词：

7075合金;7075-Li合金;GP区;DSC;组织转变动力学;

中图分类号： TG146.2

作者简介：魏芳(1973),女,博士研究生.北京航空航天大学232信箱;电话:01082317703;Email:weifangemail@163.com;

收稿日期：2003-02-08

基金：国家重点基础研究发展规划资助项目(G19990649);

Influence of Li on kinetics of GP zones transformation in Al-Zn-Mg-Cu alloys

Abstract：

Two types of GP zones, GP(Ⅰ) zone and GP(Ⅱ) zone, are formed during aging at lower temperature in AlZnMgCu alloys.The influence of Li on the GP zones transformation was studied for 7075, 7075+0.58%Li, 7075+0.89%Li and 7075+1.0%Li alloys after solution treatment followed by aging at 343 K for 240 h and at 393 K for 24 h by using DSC. The kinetic parameters for GP zones dissolution were calculated by using AvramiJohnsonMehl(AJM) equation.It is found that Li accelerates GP(Ⅰ) zone transformation and suppresses GP(Ⅱ) zone. The activation energy for GP zone dissolution in 7075Li alloy is lower slightly than that in 7075 alloy aged at 343 K, but basically equal to that in 7075 alloy aged at 393 K.

Keyword：

7075 alloy; 7075-Li alloy; GP zone; DSC; kinetic parameter for microstructure transformation;

Received： 2003-02-08

Al-Zn-Mg-Cu系合金属于高强铝合金, 是重要的航空航天结构材料。合金以沉淀强化为主要强化手段, 固溶处理后的组织析出规律为 ^{[1,2,3,4,5,6]} : 过饱和固溶体→GP区→η′→η。 GP区即Guinier-Preston区, 与基体共格; η′相与基体半共格, 是过度相; η是平衡相。根据GP区形成条件的不同, 可以形成2种类型的GP区: GP(Ⅰ)区和GP(Ⅱ)区。 GP(Ⅰ)区是由Mg和Zn的聚集组成的, 在室温即可形成, 在413 K以下能够稳定存在; GP(Ⅱ)区是溶质原子和空位相互聚集在343 K以上形成的。当时效温度高于GP区固溶温度线时, GP(Ⅱ)区和大于临界尺寸的GP(Ⅰ)区均可转变为η′相, 小于临界尺寸的GP(Ⅰ)区则溶解在基体中 ^[1,5] 。

Li对Al-Zn-Mg-Cu合金组织析出规律的影响, 与Li的含量有关。当Li含量较低(≤1.0%, 质量分数)时, 组织析出规律与Al-Zn-Mg-Cu合金相一致 ^[7] 。已有的研究都只定性地说明了Li对Al-Zn-Mg-Cu系合金GP区转变的影响。本文作者通过DSC实验, 定量地研究Li对GP区的影响。

1 动力学理论

对于等温转变, 组织析出动力学一般用Avrami-Johnson-Mehl式表述为 ^[8,9]

Y=1-exp[-(kt)ⁿ] (1)

k=k₀exp(-Q/RT) (2)

式中 Y为时间t内新增加的体积分数; 参数k, n分别与形核类型和长大方式有关; k₀为常数; Q为激活能; R为普适气体常数; T为绝对温度。

对于非等温过程, 体积分数转变率用下式描述:

dY/dt=k(T)f(Y) (3)

式中 f(Y)为含有Y的隐函数, 通过对式(1)求导可得, 其表达式如下:

f(Y)=n(1-Y)[-ln(1-Y)]^(n-1)/n (4)

Y值可用DSC实验结果表述如下:

Y(T)=A(T)/A_f (5)

式中 A(T)为温度T时所包含的DSC峰值面积; A_f为整个峰值面积。

dY/dt=(dY/dT)(dT/dt)=Φ(dY/dT) (6)

式中 Φ为加热速度。由式(2), (3)和(6)可得

ln[(dY/dT)(Φ/f(Y))]=

lnk₀-(Q/R)(1/T) (7)

Luo ^[8] 和Jena ^[10] 等人采用多个加热速度的方法, 得出ln[(dY/dT)(Φ/f(Y))]对1/T的线性图, 由直线的斜率得到激活能Q。为了减少实验量, 采用恒定加热速度的方法进行研究, 首先根据形核及长大机制选择n, 获得f(Y)的表达式, 然后以ln[(dY/dT)(Φ/f(Y))]对1/T的线性图, 由直线的斜率得出激活能Q。

2 实验

采用相同的熔制工艺熔炼了4种合金, 其主要化学成分如表1所示。 4种合金成分的差异主要在于Li含量的不同, 其余成分的误差控制在±0.1%范围内, 故可以不考虑其它成分变化对组织析出规律的影响。固溶处理工艺的选取依据7000系和含Li的7000系合金的常用工艺, 既要保证合金元素充分固溶, 又要保证两类合金具有相同的实验条件, 因此, 选取763 K, 1 h固溶处理工艺, 快速水淬后, 在硅油槽中进行343 K, 240 h和393 K, 24 h时效。从固溶和时效后的试样中截取尺寸为d5 mm×2 mm的样品做DSC实验。 DSC实验设备是美国流变科学仪器公司生产的Pheometric Scientific DSC SP, 加热速度为10 K/min。

3 结果与计算

3.1 DSC实验结果

图1(a), (b)和(c)所示分别为合金A, C和D固溶后经过343 K, 240 h时效的DSC曲线, 图1(d), (e)和(f)所示分别为合金A, B和C固溶后经过393 K, 24 h时效的DSC曲线。排除由于微区内成分不均匀造成的热扰动的影响, 对结果分析如下: 合金A, C和D固溶后经过343 K, 240 h时效的组织主要为GP区, 因此在图1(a), (b)和(c)中出现的第一个吸热峰为GP区的溶解峰。已有的研究 ^[7,11,12,12] 表明: 当Li含量≤1.0%(质量分数)时, 组织析出规律与Al-Zn-Mg-Cu系合金相一致, 7075合金在T6状态下主要由GP区组成 ^[13,14] , 可以推断图1(d), (e)和(f)中的第一个吸热峰为GP区的溶解峰。

3.2 GP区溶解激活能的计算

根据图1中实验结果, 用式(5)和(6)进行计算, 可得343 K, 240 h 和393 K, 24 h时效后GP区溶解体积分数和溶解速度随温度变化的函数关系, 结果见图2(a)和(b)。

根据Christian ^[15] 综合的不同类型相变的n值, 尝试3个可能取值, 即n=2/3(位错线上沉淀), n=1(长圆柱状沉淀物的加粗)和n=3/2(小尺寸开始的各种形状的生长, 最初形核之后形核率即为零), 得到f(Y)表达式, 并由图2(a)和(b)得到的结果, 用式(7)绘制ln[(dY/dt)(1/f(Y))]对1/T的线性图, 结果只有n=1时得到了较好的线性图(见图2(c)), 说明实验合金沉淀相满足长圆柱状加粗理论。对图2(c)中的结果分别进行直线拟合, 由直线斜率和截距可求得4种合金组织转变动力学参数(结果见表2)。表2中A合金GP区溶解激活能与文献 [ 13, 14] 中7075合金T651状态下的GP区溶解激活能在实验误差范围内相等。

4 分析与讨论

由表2可知: 合金A, C和D经过343 K, 240 h时效后, GP区溶解峰值温度均在430 K附近, 其中合金C和D中GP区溶解激活能在实验误差范围内相等, 合金A中GP区溶解激活能比合金C和D的略大; 合金A, B和C经过393 K, 24 h 时效后, 合金A中GP区溶解峰值温度在468 K附近, 合金B和C在474 K附近, 合金B和C略滞后于合金A, 这3种合金GP区溶解激活能在实验误差范围内近似相等。

合金经过393 K, 24 h 时效后, GP区溶解峰值温度均滞后于343 K, 240 h时效的合金。 GP区溶解激活能也较大。说明合金经过393 K, 24 h 时效后, GP区稳定性较好。

从已有的研究结果 ^[7] 可知: 当Li的含量较低(≤1.0%, 质量分数)时, Li对7000系合金的影响主要是减小Zn和Mg固溶度, 同时由于Li与空位具有较大的结合能, 容易形成Li-空位聚集团, 使基体中自由空位减少。

合金A, C和D 经过343 K, 240 h时效后, 形成的GP区为GP(Ⅰ)区。由于GP(Ⅰ)区与空位的多少关系不大 ^[1] , 所以3种合金GP区溶解峰值温度相同。 B和C合金中GP区溶解激活能略低的原因与Li减少基体中Zn和Mg的固溶度, 从而促进Zn和Mg原子聚集有关。

合金A经过393 K, 24 h时效后, 形成的GP区由GP(Ⅰ)区和GP(Ⅱ)组成。 GP(Ⅱ)区是溶质原子和空位结合形成的 ^[1,2] , 与自由空位数量有关。加入Li后, GP(Ⅱ)区的形成受到抑制, 含量减少, 同时GP(Ⅰ)区增加。二者相互作用的结果, 使得A, B和C合金中GP区的溶解激活能相差不大。含Li合金的GP区溶解峰值温度略滞后, 与Li抑制GP(Ⅱ)区转变有关。

合金在393 K和343 K时效时相比, 前者溶质原子有较大的能量进行扩散并得到较为稳定的组织, 所以得到的GP区溶解峰值温度滞后于后者, 溶解激活能也较大。