Acta Materialia：鋁合金中添加Cd增加彌散相并提高彌散強化效果

【引言】

時效硬化鋁合金通過人工時效能夠顯著提高鋁合金的性能，但當溫度升高時，晶粒粗化、相轉變、溶解等，時效效果變差，所以很難滿足工業應用。在鋁合金中添加Sc能夠顯著提高鋁合金的高溫性能，但由于Sc價格昂貴，成本高，所以難以廣泛應用。在鋁合金中添加少量Mn和Fe雖然能夠顯著提高鋁合金性能，并降低成本，但難以達到添加Sc時的性能。因此，通過微合金化，提高鋁合金高溫性能成為鋁合金應用的關鍵。

【成果簡介】

近日，挪威科技大學的李彥軍教授在Acta Materialia發表最新研究成果“Enhanced dispersoid precipitation and dispersion strengthening in an Al alloy by microalloying with Cd”。在該文中，研究人員對鋁合金添加少量Cd的彌散強化效果進行了分析，并利用硬度、拉伸、SEM等對性能進行了分析。

【圖文導讀】

圖1 從室溫以50°C/h的速度增加到600°C時顯微硬度和電導率的變化

（a）顯微硬度隨溫度的變化

（b）電導率隨溫度的變化

圖2 加熱到450°C時的顯微組織

（a）3003合金

（b）3003_0.2Cd合金

圖3 不同溫度下3003_0.2Cd合金中彌散相的TEM圖

（a）350°C

（b）400°C

（c）450°C

（d）500°C

（e）550°C

（f）600°C

圖4 3003_0.2Cd合金中彌散相的HAADF-STEM和EDS分析

（a）加熱到450°C時3003_0.2Cd合金中彌散相的HAADF-STEM圖

（b）圖（a）中指定線的EDS分析

圖5 加熱時等效直徑、彌散相密度和彌散相尺寸分布的變化情況

（a）從350°C加熱到600°C時等效直徑的變化情況

（b）從350°C加熱到600°C時彌散相密度的變化情況

（c）加熱過程中3003合金中彌散相尺寸分布

（d）加熱過程中3003_0.2Cd合金中彌散相尺寸分布

圖6 加熱到不同溫度時3003_0.2Cd合金的TEM圖

（a）200°C

（b）250°C

（c）300°C

（d）350°C

圖7 300°C時3003_0.2Cd合金中的納米粒的HAADF-STEM及對應的EDS分析

（a）加熱到300°C時3003_0.2Cd合金中的納米粒的HAADF-STEM圖

（b）線1處的EDS線譜

（c）線2處的EDS線譜

圖8 200-350°C的3003_0.2Cd合金中富Cd納米粒的平均直徑和數密度

圖9 250和300°C 時的3003_0.2Cd合金中富Cd粗糙納米粒的明場TEM圖及SEAD圖

（a）[-1-10]m方向的明場TEM圖

（b）圖（a）對應的SAED圖

（c）模擬得到的彌散相和鋁基體沿[-1-10]方向的衍射圖

（d）[-111]m方向的明場TEM圖

（e）圖（e）對應的SAED圖

（f）模擬得到的彌散相和鋁基體沿[-111]方向的衍射圖

圖10 200°C時3003_0.2Cd合金中富Cd粗糙納米粒的明場TEM圖及SEAD圖

（a）富Cd納米粒的明場TEM圖

（b）[001]方向的SAED圖

（c）[110]方向的SAED圖

圖11 加熱到250°C時3003_0.2Cd合金的APT分析

（a）Cd，Mn和Si原子的三維重構

（b）Cd含量大于4.6%的區域的等勢面

（c）圖（b）中富Cd粒子及其周圍的原子分布及proxigram分析

（d）圖（b）中橘黃色線處的富Cd納米粒的proxigram分析

圖12 3003合金和3003_0.2Cd合金的工程應力-應變曲線

圖13 計算得到的Al-1.1Mn-0.5Fe-0.18Si-Cd相圖

【小結】

本文的主要研究結論如下：在連續加熱時，添加0.05 at%的Cd能夠顯著提高形核能力，進而形成大量納米尺寸的α-Al(Mn,Fe)Si彌散相。溫度為450°C時顯微硬度達到峰值，此時加Cd合金中的α彌散相的數量是未加Cd的合金中的2倍。因此，添加Cd能夠使屈服強度提高25%。添加Cd以后使得α-Al(Mn,Fe)Si彌散相的形核方式從非均勻形核轉變為均勻形核。加熱過程中富Cd納米粒發生了相變，150-250 °C形成的超細富Cd納米粒以Al3Cd 或Al4Cd等金屬相存在。加熱過程中Al-Cd析出相的彌散強化非常顯著。

文獻鏈接：Enhanced dispersoid precipitation and dispersion strengthening in an Al alloy by microalloying with Cd(Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.001)

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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