【摘要】：以Al-Si-Mg為基礎的鑄態(tài)合金材料是當前汽車全鋁發(fā)動機的主要應用材料,當工作溫度達到200℃及以上時,合金中的Mg2Si強化相將逐漸失穩(wěn),從而失去強化作用,導致合金材料的服役壽命縮短。探尋材料中高溫穩(wěn)定的析出強化相是解決上述問題的思路之一。大量研究表明,鋁合金中添加微量過渡元素可以形成高溫穩(wěn)定的Al3M(M=Zr,Sc,Hf,Ti……)強化相。在高Si含量的Al-Si-Mg-Hf-Y鋁合金中發(fā)現了一種新型高密度的Si2Hf納米帶析出相,能有效提升合金的高溫性能。但是這種析出相的本征特征、形成機理、在基體的作用等還未有研究報告。深入系統(tǒng)研究這種Si-Hf相有助于為設計和開發(fā)汽車發(fā)動機用新型耐高溫鋁合金材料提供理論指導和技術支持。本論文以Al-Si-Mg鑄造合金中添加Hf元素作為研究對象,采用電子背散射衍射(EBSD)、聚焦離子束/電子束雙束系統(tǒng)(FIB/SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HADDF-STEM)、能譜分析(EDS)等分析技術,結合第一性原理計算及近似重位點陣(NCS)理論分析,系統(tǒng)研究了Al-Si-Mg-Hf合金中Si-Hf析出相的析出行為、形成及生長機理、演變規(guī)律和取向關系等。得到如下主要結論:(1)Al-Si-Mg-Hf合金經過560℃+20小時熱處理后,合金中形成高密度不同形貌(納米帶狀、長方形、正方形)的析出相。首次結合EBSD和3D-FIB技術從三維角度更加真實和客觀地對合金中析出相的分布及形貌進行表征,發(fā)現合金中納米帶狀析出相具有一定的取向性,結合矩陣計算,對納米帶狀Si2Hf析出相的長軸方向進行了計算,確定了納米帶狀析出相在Al基體中的7種生長方向,4 1 2,-65 4,-4 1-4,1 1 0,2 2 1,0 2 1,0 0 1。(2)通過對Al-Si-Mg-Hf合金在560℃下進行短時(10,20分鐘)和長時(20小時)的熱處理后析出相的研究表明,熱處理10分鐘時,合金中還未有析出相形成,當熱處理20分鐘后合金中形成大量具有立方L12結構的Si3Hf相。利用第一性原理計算優(yōu)化了Si3Hf相結構的晶胞參數為a=3.970?,隨著熱處理時間的延長,Si3Hf相結構中的Hf原子逐漸替代一對面心位置上的Si原子,形成正方結構的Si2Hf2相,隨即轉變?yōu)檫^渡態(tài)的Si-Hf相,最終形成正交結構的Si2Hf平衡相,其演變路徑為:Si3Hf→Si2Hf2→過渡態(tài)→Si2Hf。(3)結合HADDF-STEM原子分辨成像及高分辨能譜,對Al-Si-Mg-Hf合金在560℃熱處理20小時后樣品中不同形貌的Si-Hf析出相原子結構及組成做了進一步詳細的分析。發(fā)現Al-Si-Mg-Hf合金在560℃熱處理20小時后,長方形和正方形的Si2Hf析出相中,有部分Si原子會被Al原子替代,即主要為(Si2-x Alx)Hf相。而納米帶狀Si2Hf析出相中有少量或沒有Si原子被取代。通過第一性原理計算可得,Si2Hf單胞結構中8個Si原子位置的Si6和Si8最容易被Al原子所替代。(4)對Al-Si-Mg-Hf合金560℃熱處理20小時后合金中的納米帶狀和矩形析出相與基體的取向關系進行了系統(tǒng)研究。研究證實納米帶狀析出相與基體存在四種晶體學取向關系:OR1:(100)Al //(010)p,(0-11)Al //(101)p,[011]Al // [-101]p;OR2:(11-1)Al //(010)p,[011]Al // [-101]p;OR3:(12-1)Al //(010)p,(101)Al //(110)p,[1-1-1]Al // [001]p;OR4:(-1-11)Al//(010)p,[112]Al//[-101]p。這四種取向關系中納米帶狀析出相在Al基體中析出慣習面分別為:(100)Al、(11-1)Al、(12-1)Al和(-1-11)Al晶面,同時慣習面均平行納米帶狀析出相的(010)p晶面。矩形狀析出相與基體也存在四種取向關系:OR1:[112]Al//[010]p,(11-1)Al與(200)p間的夾角約為3.21°;OR2:[012]Al // [010]p,(200)Al //(002)p;OR3:[-113]Al//[010]p,(2-42)Al與(20-2)p間的夾角大約為為6.77°;OR4:[-113]Al // [3-1-3]p,(220)Al //(130)p。前面三種矩形狀析出相的慣習面分別為(112)Al、(012)Al、(-113)Al晶面,(010)p為矩形狀Si2Hf析出相自身的慣習面,第四種取向關系中,由于電子束入射方向并不垂直或平行于矩形狀析出相的側面,因此無法從取向關系四中判斷析出相的慣習面。(5)利用PTCLab軟件模擬了不同取向關系下原子的近似重位點陣密度分布,發(fā)現在四種納米帶狀析出相與基體的取向關系中,只存NCS密度分布最高點,表明納米帶狀析出相只沿著能量最低的慣習面在一維方向生長,形成在一維方向較長的帶狀形貌。而對于長方形和正方形析出相,原子在相的(010)p晶面上不是最優(yōu)的匹配,而是錯開了一定夾角,即析出相與基體相互匹配時,失去了能量最低的擇優(yōu)界面,使兩相原子界面匹配能量升高,阻礙了析出相在慣習面上沿著擇優(yōu)取向的進一步長大,從而形成長方形和正方形的形貌特征。
[Abstract]:Cast-state alloy material based on Al-Si-Mg alloy is the main application material of the current automobile all-aluminum engine. When the working temperature reaches 200 鈩，

本文編號：2253066