稀有金属 2001,(03),166-169 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.03.002
快速凝固Al-Cr-Zr-Ti合金的显微组织
陈翌庆 丁厚福 黄新民
合肥工业大学材料科学与工程学院!合肥230009,合肥工业大学材料科学与工程学院!合肥230009,合肥工业大学材料科学与工程学院!合肥230009,合肥工业大学材料科学与工程学院!合肥230009
摘 要:
利用透射电镜和能谱分析研究了Al 4Cr 4Zr 2Ti (原子数分数 ) 合金急冷态和各种退火态的显微组织。急冷态为完全过饱和固溶体 ;35 0℃× 4h处理后 , 晶界出现连续析出相 ;45 0℃× 4h处理后 , 组织出现二种析出相 :晶界析出球状亚稳相Ll2 Al3 (Zr, Ti) , 晶内析出针形稳定相Al13 (Cr, Ti) ;5 5 0℃× 4h处理后 , 亚稳相Ll2 Al3 (Zr, Ti) 转变为稳定相DO2 3 Al3 (Zr, Ti) 。
关键词:
快速凝固 ;Al-Cr-Zr-Ti合金 ;显微组织 ;
中图分类号: TG146.2
收稿日期: 2000-11-06
基金: 安徽省教委自然科学基金!资助项目 (2 0 0 0j1172 );
Microstructure of Rapidly Solidified Al-Сr-Zr-Ti Alloy
Abstract:
The As spun and as annealed microstructures of rapidly solidified Al 4Cr 4Zr 2Ti (at%) alloy were studied by TEM and energy dispersive spectrum analysis (EDS) . The microstructure of the as spun alloy is in the totally solid solution state. The results show that annealing at 350℃ for 4 h results in formation of continuous grain boundary precipitates (GBPs) , annealing at 450℃×4 h results in the intergranular precipitation of needle Al 13 (Cr, Ti) 2 phase and the GBPs of globular Ll 2 Al 3 (Zr, Ti) phase , and after annealing at 550℃×4 h metastable phase Ll 2 Al 3 (Zr, Ti) transformes to stable phase DO 23 Al 3 (Zr, Ti) .
Keyword:
Rapidly solidification; Al Cr Zr Ti alloy; Microstructure;
Received: 2000-11-06
为了能在 200~450℃ 温度范围内用低密度、低价格的铝合金代替钛合金, 在过去20年内, 快速凝固耐热铝合金受到广泛的重视, 相继开发出以 Al-Fe, Al-Cr 为基的一系列耐热铝合金
[1 ,2 ,3 ]
, 并且得到实际应用。快速凝固 Al-Cr-Zr 合金具有良好的加工性能和应用性能, 是快凝 Al-Cr 基耐热铝合金有代表性的合金之一
[4 ,5 ]
。但是, 该合金主要强化相 θ-Al13 Cr2 在高温下易粗化, 难以满足进一步提高铝合金使用温度的新要求。通过加入一定的合金元素, 改变相结构, 减少相界面能, 是提高合金高温热稳定性的有效途径。本文在 Al-Cr-Zr 三元合金中加入钛元素, 通过对快凝 Al-Cr-Zr-Ti 合金显微组织的观察, 为进一步研究和开发此类合金提供依据。
1 实验方法
实验名义合金 Al-4Cr-4Zr-2Ti (原子数分数) 是由高纯铝 (99.99%) 、纯铬 (99.9%) 、纯锆 (99.6%) 和 Al-10Ti (质量分数) 中间合金在中频感应炉中熔配而成。由铜制单辊旋淬法获得快凝合金薄带, 单辊线速度为 51 m/s, 薄带厚约 20~40 μm, 宽约 3~4 mm。将所制薄带放入若干石英玻璃管中, 抽真空 (真空度为 10-2 ~10-4 Pa) 密封, 然后进行 350℃×4 h、450℃×4 h 和 550℃×4 h 退火处理。用 H-800 透射电镜 (TEM) 观察样品组织结构, 并利用电镜所带的能谱 (EDS) 仪进行半定量分析, TEM 样品经双喷减薄制成, 双喷电解液为 10% 高氯酸溶液。
2 实验结果及讨论
2.1 Al-Cr-Zr-Ti 合金急冷态组织
图1为 Al-Cr-Zr-Ti 合金的总冷态组织。图1 (a) 表明:急冷态组织中晶内、晶界无第二相析出, 图1 (b) 显示基体组织中包括 Al、Cr、Zr、Ti 各元素, 说明在本实验条件下, 基体铝的固溶度非常大, 验证了快速凝固不仅能细化晶粒, 还能显著扩大合金的固溶度, 并预期合金的固溶强化作用较大。
2.2 Al-Cr-Zr-Ti 合金 350℃退火态组织
图2为 Al-Cr-Zr-Ti 合金350 ℃退火后的组织。从图2 (a) 可以看出:快凝 Al-Cr-Zr-Ti 合金经 350℃×4 h 退火处理后, 有连续状颗粒在晶界析出, EDS (图2 (b) ) 分析此析出相仍含有 Al、Cr、Zr、Ti 各元素, 只不过与急冷态基体组织相比, 各元素含量略有差异。此析出相目前尚未标明其结构组成, 图2 (c) 是晶界析出相的选区电子衍射 (SADP) 图。
2.3 Al-Cr-Zr-Ti 合金 450℃退火态组织
Al-Cr-Zr-Ti 合金经 450 ℃退火后的组织如图3所示。由图3 (a) 可以看出, 晶界处已无连续第二相颗粒, 代之为晶内针形相和晶界球形相。针形相的EDS (图3 (b) ) 分析表明该相含有 Al, Cr, Ti 各元素, 结合 SADP (图3 (c) ) , 标定该针形相为 Al13 (Cr, Ti) 2 相。同样, 对晶界球形相结合图3 (d) 和图3 (e) 进行标定, 从球形相的选区电子衍射 (SADP) (图3 (e) ) 中可以看出:在较强面心立方 (fcc) 铝斑点中间位置有较弱的面心立方亚斑点, 且呈完全规则排列, 这是有序固溶体 Ll2 (又称超点阵) 特有的衍射花样, 考虑到Zr, Ti 元素的置换性, 结合文献
[
5 ]
, 此相标定为 Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 。
图1 快凝Al-Cr-Zr-Ti 合金急冷态组织 (a) TEM 明场; (b) EDS
Fig .1 As-spun microstructure of rapidly solidified Al-Cr-Zr-Ti alloy
图2 快凝 Al-Cr-Zr-Ti 合金 350℃×4 h 组织 (a) TEM 明场; (b) 晶界析出相的 EDS; (c) 晶界析出相的 SADP
Fig .2 Annealed microstructure of rapid solidified Al-Cr-Zr-Ti alloy at 350℃ for 4 h
2.4 Al-Cr-Zr-Ti 合金 550℃退火态组织
Al-Cr-Zr-Ti 合金经 550℃退火处理后, 有大量的析出物从晶内和晶界析出, 且析出相较低温处理时明显长大 (见图4 (a) ) 。晶界析出相由亚稳 Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 转变为稳定相 DO23 -Al3 (Zr, Ti) 。
ASTM 标准卡只有 Al3 Zr 和 Al13 Cr2 相, 但在快速凝固和随后退火处理过程中, 合金元素可通过相互置换以调整弥散相的化学组成, 减少弥散相与基体间的错配度, 提高合金的热稳定性, 因而形成了新的金属间化合物 Al13 (Cr, Ti) 2 和 Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 相。
立方结构的亚稳相 Ll2 -Al3 Zr 具有强烈沉淀强化效果, 能使合金具有较高的热稳定性
[4 ,5 ]
。而 θ-Al13 Cr2 (单斜结构) 在高温下易粗化, 通过加入钛元素, 发现, θ-Al13 Cr2 相演变为 Al13 (Cr, Ti) 2 相, 使析出相与基体间的界面能下降
[6 ,7 ]
, 粗化速度降低;同时也使 Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 相在较高温度 (450℃) 下析出, 对提高合金的高温稳定性非常有好处。
图3 快凝 Al-Cr-Zr-Ti 合金450℃×4 h 组织 (a) TEM 明场; (b) 晶内针形析出相的 EDS; (c) 晶内针形析出相的 SADP; (d) 晶界球形相的EDS; (e) 晶界球形相
Fig .3 Annealed microstructure of rapid solidified Al-Cr-Zr-Ti alloy at 450℃ for 4 h
图4 快凝 Al-Cr-Zr-Ti 合金550℃×4 h 组织 (a) TEM 明场; (b) 晶界相的 SADP
Fig .4 Annealed microstructure of rapid solidified Al-Cr-Zr-Ti alloy at 550℃ for 4 h
3 结论
1.快速凝固Al-4Cr-4Zr-2Ti合金急冷态组织为过饱和固溶体。
2.快速凝固Al-4Cr-4Zr-2Ti合金经350℃×4 h退火处理后, 在晶界处有连续析出相出现;经450×4 h退火处理后, 在晶界有球形Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 相析出, 而在晶内有针形Al13 (Cr, Ti) 2 相析出;经550℃×4 h退火处理后, 晶界Ll2 -Al3 (Zr, Ti) 相转变为稳定相DO23 -Al3 (Zr, Ti) 。
3.钛元素的添加, 一方面改善了θ-Al13 Cr2 相结构, 另一方面促使Ll2 -Al3 Zr相在高温析出, 提高了合金的热稳定性。
参考文献
[1] ForesFH , KimYW , HehmannF .J.Metal., 1987, 40 (8) :14
[2] 陈翌庆 , 苏 勇等 有色金属 , 2 0 0 0 , 5 2 (1) :75
[3] MillerWS , PalmerIG .Met.PowderRep ., 1986 , 41 (10 ) :76 1
[4] LieblichM , CanuanaG .MaterSci.Tech ., 1996 , 2 2 (1) :2 5
[5] ChuangMS , Scr.Metall.Mater., 1994, 31 (9) :12 5 9
[6] ZedalisMS , FineME .Met.Trans ., 1986 , 17A :2 187
[7] ChenYC , FineME .Acta .Met., 1990 , 38:771