Acta Materialia：铝合金中添加Cd增加弥散相并提高弥散强化效果

【引言】

时效硬化铝合金通过人工时效能够显著提高铝合金的性能，但当温度升高时，晶粒粗化、相转变、溶解等，时效效果变差，所以很难满足工业应用。在铝合金中添加Sc能够显著提高铝合金的高温性能，但由于Sc价格昂贵，成本高，所以难以广泛应用。在铝合金中添加少量Mn和Fe虽然能够显著提高铝合金性能，并降低成本，但难以达到添加Sc时的性能。因此，通过微合金化，提高铝合金高温性能成为铝合金应用的关键。

【成果简介】

近日，挪威科技大学的李彦军教授在Acta Materialia发表最新研究成果“Enhanced dispersoid precipitation and dispersion strengthening in an Al alloy by microalloying with Cd”。在该文中，研究人员对铝合金添加少量Cd的弥散强化效果进行了分析，并利用硬度、拉伸、SEM等对性能进行了分析。

【图文导读】

图1 从室温以50°C/h的速度增加到600°C时显微硬度和电导率的变化

（a）显微硬度随温度的变化

（b）电导率随温度的变化

图2 加热到450°C时的显微组织

（a）3003合金

（b）3003_0.2Cd合金

图3 不同温度下3003_0.2Cd合金中弥散相的TEM图

（a）350°C

（b）400°C

（c）450°C

（d）500°C

（e）550°C

（f）600°C

图4 3003_0.2Cd合金中弥散相的HAADF-STEM和EDS分析

（a）加热到450°C时3003_0.2Cd合金中弥散相的HAADF-STEM图

（b）图（a）中指定线的EDS分析

图5 加热时等效直径、弥散相密度和弥散相尺寸分布的变化情况

（a）从350°C加热到600°C时等效直径的变化情况

（b）从350°C加热到600°C时弥散相密度的变化情况

（c）加热过程中3003合金中弥散相尺寸分布

（d）加热过程中3003_0.2Cd合金中弥散相尺寸分布

图6 加热到不同温度时3003_0.2Cd合金的TEM图

（a）200°C

（b）250°C

（c）300°C

（d）350°C

图7 300°C时3003_0.2Cd合金中的纳米粒的HAADF-STEM及对应的EDS分析

（a）加热到300°C时3003_0.2Cd合金中的纳米粒的HAADF-STEM图

（b）线1处的EDS线谱

（c）线2处的EDS线谱

图8 200-350°C的3003_0.2Cd合金中富Cd纳米粒的平均直径和数密度

图9 250和300°C 时的3003_0.2Cd合金中富Cd粗糙纳米粒的明场TEM图及SEAD图

（a）[-1-10]m方向的明场TEM图

（b）图（a）对应的SAED图

（c）模拟得到的弥散相和铝基体沿[-1-10]方向的衍射图

（d）[-111]m方向的明场TEM图

（e）图（e）对应的SAED图

（f）模拟得到的弥散相和铝基体沿[-111]方向的衍射图

图10 200°C时3003_0.2Cd合金中富Cd粗糙纳米粒的明场TEM图及SEAD图

（a）富Cd纳米粒的明场TEM图

（b）[001]方向的SAED图

（c）[110]方向的SAED图

图11 加热到250°C时3003_0.2Cd合金的APT分析

（a）Cd，Mn和Si原子的三维重构

（b）Cd含量大于4.6%的区域的等势面

（c）图（b）中富Cd粒子及其周围的原子分布及proxigram分析

（d）图（b）中橘黄色线处的富Cd纳米粒的proxigram分析

图12 3003合金和3003_0.2Cd合金的工程应力-应变曲线

图13 计算得到的Al-1.1Mn-0.5Fe-0.18Si-Cd相图

【小结】

本文的主要研究结论如下：在连续加热时，添加0.05 at%的Cd能够显著提高形核能力，进而形成大量纳米尺寸的α-Al(Mn,Fe)Si弥散相。温度为450°C时显微硬度达到峰值，此时加Cd合金中的α弥散相的数量是未加Cd的合金中的2倍。因此，添加Cd能够使屈服强度提高25%。添加Cd以后使得α-Al(Mn,Fe)Si弥散相的形核方式从非均匀形核转变为均匀形核。加热过程中富Cd纳米粒发生了相变，150-250 °C形成的超细富Cd纳米粒以Al3Cd 或Al4Cd等金属相存在。加热过程中Al-Cd析出相的弥散强化非常显著。

文献链接：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)

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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