简介概要

Li对Al-Zn-Mg-Cu系合金GP区转变动力学的影响

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：魏芳赵中魁周铁涛刘培英张永刚陈昌麒

文章页码：876 - 880

关键词：7075合金； 7075-Li合金； GP； DSC；组织转变动力学

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

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。

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 343K for 240h and at 393K for 24h 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 343K, but basically equal to that in 7075 alloy aged at 393K.

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。