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低温球磨制备高热稳定性纳米晶Al-Zn-Mg-Cu合金块体材料

来源期刊:中国有色金属学报2006年第7期

论文作者:程军胜 陈汉宾 杨滨 樊建中 田晓风 张济山

文章页码:1196 - 1201

关键词:低温球磨; 纳米晶块体材料; Al-Zn-Mg-Cu合金; 热稳定性

Key words:cryomilling; bulk nanocrystalline materials; Al-Zn-Mg-Cu alloy; thermal stability

摘    要:利用液氮球磨和真空热压技术制备纳米晶Al-10Zn-3Mg-1.8Cu(质量分数, %)合金块体材料。 采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对材料在制备过程中的固态相变、 晶粒尺寸和热稳定性进行分析。 结果表明, 材料经过液氮球磨15 h后晶粒尺寸为37 nm, 真空热压后材料晶粒保持在100 nm, 热挤压后晶粒尺寸约为300 nm, 热处理后晶粒尺寸保持不变。 材料的高热稳定性原因在于大量合金元素和杂质元素超饱和固溶于Al基体中阻止了晶粒的长大, 以及细小析出MgZn2相和Al2O3颗粒对于晶界的钉扎作用。

Abstract: The preparation of bulk nanocrystalline Al-10Zn-3Mg-1.8Cu (mass fraction, %) alloy by mechanically milling at cryogenic temperature (cryomilling) and hot pressing in vacuum was studied. By X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), the effects of cryomilling process on the phase transformations in solid, the grain size and the thermal stability for this alloy were investigated. The results show that the grain size of the as-atomized Al-Zn-Mg-Cu alloy powder is gradually reduced and approaches 37 nm after 15 h cryomilling. The average grain size reaches about 100 nm after hot pressing in vacuum. After hot extrusion and heat treatment, the grains grow to about 300 nm. The results obtained herein suggest that the significant thermal stability of the bulk nanocrystalline Al-Zn-Mg-Cu alloy may be attributed to the solute drag of the alloy elements and the impurity elements, which can prevent the grain growth. And more, the zener pinning from grain boundary of the nano-scale Al2O3 arising from cryomilling and the fine MgZn2 phase also play an important role.

基金信息:国家高技术研究发展计划资助项目



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文章编号: 1004-0609(2006)07-1196-06

低温球磨制备高热稳定性纳米晶

Al-Zn-Mg-Cu合金块体材料  

程军胜1, 陈汉宾1, 杨 滨1, 樊建中2, 田晓风2, 张济山1

(1. 北京科技大学 新金属材料国家重点实验室, 北京 100083;

2. 北京有色金属研究总院, 北京 100088)

摘 要: 利用液氮球磨和真空热压技术制备纳米晶Al-10Zn-3Mg-1.8Cu(质量分数, %)合金块体材料。 采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对材料在制备过程中的固态相变、 晶粒尺寸和热稳定性进行分析。 结果表明, 材料经过液氮球磨15h后晶粒尺寸为37nm, 真空热压后材料晶粒保持在100nm, 热挤压后晶粒尺寸约为300nm, 热处理后晶粒尺寸保持不变。 材料的高热稳定性原因在于大量合金元素和杂质元素超饱和固溶于Al基体中阻止了晶粒的长大, 以及细小析出MgZn2相和Al2O3颗粒对于晶界的钉扎作用。

关键词: 低温球磨; 纳米晶块体材料; Al-Zn-Mg-Cu合金; 热稳定性

中图分类号: TG146.21                                          文献标识码: A

Preparation of bulk nanocrystalline Al-Zn-Mg-Cu alloy with high thermal stability by cryomilling

CHENG Jun-sheng1, CHEN Han-bin1, YANG Bin1,

FAN Jian-zhong2, TIAN Xiao-feng2, ZHANG Ji-shan1

(1. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,

University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China)

Abstract: The preparation of bulk nanocrystalline Al-10Zn-3Mg-1.8Cu (mass fraction, %) alloy by mechanically milling at cryogenic temperature (cryomilling) and hot pressing in vacuum was studied. By X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), the effects of cryomilling process on the phase transformations in solid, the grain size and the thermal stability for this alloy were investigated. The results show that the grain size of the as-atomized Al-Zn-Mg-Cu alloy powder is gradually reduced and approaches 37nm after 15h cryomilling. The average grain size reaches about 100nm after hot pressing in vacuum. After hot extrusion and heat treatment, the grains grow to about 300nm. The results obtained herein suggest that the significant thermal stability of the bulk nanocrystalline Al-Zn-Mg-Cu alloy may be attributed to the solute drag of the alloy elements and the impurity elements, which can prevent the grain growth. And more, the zener pinning from grain boundary of the nano-scale Al2O3 arising from cryomilling and the fine MgZn2 phase also play an important role.

Key words: cryomilling; bulk nanocrystalline materials; Al-Zn-Mg-Cu alloy; thermal stability

  纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料。 当晶粒细化到纳米级后材料的许多力学性能会发生明显的变化[1-3], 例如强度升高[4-6], 硬度增大[7-9], 有些材料还会出现超塑性的现象[10, 11], 这为材料的强化提供了新的途径。 Al-Zn-Mg-Cu合金是强度最高的变形铝合金, 是航空航天工业中重要的结构材料。 目前一般粗晶Al-Zn-Mg-Cu合金的强度在500~700MPa[12], 采用雾化沉积方法制备的微米晶Al-Zn-Mg-Cu合金, 强度能够稳定达到750~800MPa[13], 但是再采用传统强化手段, 强度的提升空间已经有限。 纳米晶Al-Zn-Mg-Cu合金块体的研究将是提高材料强度的有益探索, 可能为提高材料强度提供一种新的工艺手段。

纳米材料按照三维尺寸可以划分为[14]: 零维纳米材料(纳米粉体)、 一维纳米材料(纳米线和纳米管)、 二维纳米材料(纳米薄膜)和三维纳米材料(块体纳米和涂层)。 目前纳米粉体的制备技术相对成熟, 但是在纳米块体材料的研究方面, 由于纳米粉体的比表面积大, 表面性质活泼, 对温度、 气氛、 压力等外界条件非常敏感, 因而对高热稳定性纳米晶块体的制备相对困难。 液氮球磨技术通过材料粉末的反复碾压、 断裂与焊合作用, 能够迅速破碎晶粒, 制备出多种非平衡态材料, 比如超饱和固溶体、 纳米晶、 非晶等。 液氮环境能够有效防止材料过分氧化, 增加脆性。

本文作者采用液氮球磨和真空热压技术制备了纳米晶Al-10Zn-3Mg-1.8Cu(质量分数, %)合金块体, 并对材料的晶粒热稳定性进行了初步分析。 目的在于探索一条制备较高热稳定性纳米晶Al-Zn-Mg-Cu合金块体材料的途径, 为下一步对纳米晶Al-Zn-Mg-Cu合金块体的力学性能的研究奠定基础。

1 实验

实验先采用气雾化技术制备Al-10Zn-3Mg-1.8Cu铝合金粉末。 在液氮球磨时, 将粒径小于150μm的雾化粉末置于自制的搅拌式球磨机中, 液氮环境下球磨15h。 主轴转速200r/min, 球磨罐和磨球材料均为不锈钢, 球料质量比25∶1, 罐内温度-140℃。

将球磨后的粉末放置于模具中真空热压成棒材。 具体步骤为: 从室温以10℃/min升温至500℃, 施以300MPa轴向压力, 保温保压20min后, 随炉冷却。 随后将热压后的试棒进行热挤压, 热挤压温度410℃, 挤压比20∶1。 材料的热处理制度采用470℃固溶处理1h后淬水和120℃时效处理12h。

材料的晶粒尺寸和晶体结构采用APD-10 X射线衍射仪(XRD)测量分析, 辐射源为CuKα, 单色器为石墨。 XRD的衍射峰形经过仪器宽化和Kα2校正以后, 采用单波长法计算材料的平均晶粒尺寸[15]。 对材料微观结构的分析采用HITACHI H-800透射电镜(TEM)研究, 加速电压为100kV。 透射电镜样品制备采用双喷减薄方式, 腐蚀液为硝酸和甲醇混合液, 体积配比1∶3。

2 结果与讨论

2.1 纳米晶粉末的制备

取球磨前后的粉末样品进行XRD分析, 结果如图1所示。 可见, 粉末在雾化冷却过程中有MgZn2相的析出。 材料经过球磨以后, MgZn2相已经不再存在, 合金原子固溶于α(Al)晶格之中, 形成过饱和固溶体。 计算可知, α(Al)晶格参数从0.4053nm降低到0.4045nm。 这是由于Zn、 Mg和Cu原子溶入α(Al)之中与Al原子发生了置换, 而他们的原子半径均小于Al原子, 因此造成基体晶格参数减小。

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图1   液氮球磨前后Al-Zn-Mg-Cu合金粉末的X射线衍射谱

Fig.1   XRD patterns of Al-Zn-Mg-Cu alloy powders

一般情况下, Zn、 Mg和Cu原子在Al中的室温溶解度都很小。 采用常规制备方法制备的Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn含量均不能超过8%。 而从球磨后粉末的X射线衍射谱中看, 合金原子已经都完全固溶到Al基体中去了, 超出了普通固溶范围。 分析认为当晶粒细化到纳米尺寸后, 晶粒总自由能随着晶粒尺寸的下降而增加。 根据Gibbs-Thomson关系[16], 自由能提高的效应之一就是固溶度的提高。 此外, 剧烈的机械球磨作用也同样能够增大合金粉末的固溶度。

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