淬火速率和弥散相类型对两种Al-Zn-Mg-Cu合金析出动力学的高通量表征

《Materials & Design》：High-throughput characterization of the effect of quenching rate and dispersoid type on precipitation kinetics in two Al-Zn-Mg-Cu alloys

　　

设计了一种改进的Jominy末端淬火试验(modified Jominy end-quench test)，可用于研究更广泛的淬火速率评估。将淬火梯度样品与空间和时间分辨的小角X射线散射(space- and time-resolved small-angle X-ray scattering, SAXS)相结合，可以连续研究淬火速率对7000系列铝合金人工时效过程中析出动力学的影响。淬火诱导析出(quench-induced precipitation)主要导致人工时效过程中可达到的强化析出相体积分数降低。降低淬火速率还会增加这些析出相的平均尺寸并拓宽尺寸分布。将弥散相类型从Cr基变为Zr基对淬火敏感性(quench sensitivity)有重大影响。Zr基弥散相作为淬火诱导析出形核位点的有效性取决于晶粒的再结晶程度。

论文解读文章

研究背景与意义：铜含量7000系列铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系统）广泛应用于航空结构件，其力学性能主要由纳米级析出相控制。快速淬火是最大限度保留固溶体并避免高温非均匀形核的关键，但在大型工业部件中难以实现均一的快速冷却，较慢冷却会促进大尺寸淬火诱导析出相形成，降低强化相体积分数并产生无析出区（precipitate-free zone, PFZ），损害延展性、韧性及屈服强度。弥散相（如Cr基Al₁₈Mg₃Cr₂或Zr基Al₃Zr）作为非均匀形核位点显著影响淬火敏感性，其中Cr基弥散相因与基体非共格而更敏感。现有研究缺乏对宽范围淬火速率下析出动力学的系统实验数据，导致物理模型预测能力受限。本研究旨在通过高通量方法详细表征淬火速率和弥散相类型对两种合金人工时效和自然时效析出动力学的影响，发表在《Materials》。

关键技术方法：研究人员采用改进的Jominy末端淬火试验（extended Jominy）在单一试样中获得从约200 K·s^-1到1 K·s^-1的连续淬火速率梯度。通过有限元模拟（Forge?）校准对流换热系数以精确控制冷却曲线。结合空间和时间分辨的小角X射线散射（SAXS）原位监测析出相的尺寸和体积分数演变，X射线源为Cu阳极（8.04 keV），束斑尺寸沿梯度方向500 μm。使用Schulz分布模型拟合散射数据获得体积加权平均半径（R_v）和均方波动（η²）。此外，利用扫描透射电镜（STEM）和能谱仪（EDS）观察微观结构。样品来源为Aubert & Duval公司提供的两种工业锻造铝合金：7010（Al-2.6Zn-2.6Mg-0.7Cu-0.034Zr-0.011Cr at%）和7175（Al-2.6Zn-3.0Mg-0.7Cu-0.003Zr-0.087Cr at%），分别以Zr基和Cr基弥散相为主要特征。

研究结果：

2.3 析出相微观结构：TEM观察显示，7175合金中Cr基弥散相几乎全部作为淬火诱导析出形核位点，即使在较高淬火速率（10 K·s^-1）下亦然；析出相尺寸随淬火速率降低而增大，且无析出区宽度约100 nm。7010合金中Zr基弥散相仅在再结晶晶粒中诱发非均匀析出，因再结晶导致Al₃Zr失去共格性，而在未再结晶晶粒中保持共格，不促进析出。

2.6 析出动力学（针对7175）：通过SAXS沿Jominy试样连续测量，发现自然时效和人工时效均受淬火速率显著影响。

2.7 自然时效：淬火速率高于约20 K·s^-1时，团簇微结构无明显变化；低于此临界值，平均半径和均方超额溶质原子数随淬火速率降低而线性下降，表明两种机制作用：空位浓度降低和固溶体消耗。

2.8 120°C时效（T6态）：临界淬火速率约30 K·s^-1。高于该值，析出相尺寸和体积分数稳定；低于该值，体积加权平均半径增大，尺寸分布变宽，均方波动（反映体积分数）显著降低。动力学跟踪显示低淬火速率下初始半径相似但后续生长更快，初始η²值更低且恢复较慢，表明邻近无析出区的较大析出相导致尺寸增加。

2.9 175°C时效（T7态）：体积分数临界淬火速率仍约30 K·s^-1，但尺寸变化临界值降至约8 K·s^-1。动力学表明低淬火速率下初始η²更低，但随时间差异减小，高淬火速率下以粗化为主，低淬火速率下持续增加。

2.10 Cr基与Zr基合金对比：两种合金在T6和T7态均呈现相似临界淬火速率（约30 K·s^-1），但7010合金（Zr基）的淬火敏感性远低于7175（Cr基），归一化均方波动在低淬火速率下损失小约5倍，平均半径增加也较小。硬度测试与微结构结果一致，且淬火因子分析（quench factor analysis, QFA）与η²平方根呈强线性相关（R²=0.94），表明体积分数损失是力学性能下降的主因。

讨论与结论：讨论指出，Cr基弥散相因非共格界面而系统促进淬火诱导析出，Zr基弥散相仅在再结晶晶粒中失共格后有效。临界淬火速率约30 K·s^-1与先前的Kampmann-Wagner数值模型预测一致。淬火速率降低通过减少体积分数、扩大尺寸分布和增加平均半径影响时效析出相，其中体积分数损失主导强度退化。自然时效中，临界速率较低（20 K·s^-1）暗示空位效应其次，主要由固溶体消耗控制。研究结论翻译如下：1. 在工业7xxx铝合金中，弥散相是淬火敏感性的主要因素；Cr基合金因非共格相而极为敏感，Zr基合金仅在再结晶晶粒中促进析出。2. 梯度试样与高通量表征的结合首次实现了宽范围冷却速率下析出动力学的连续测量，确定临界淬火速率约30 K·s^-1。3. 淬火效应与时效阶段相关：自然时效中团簇动力学下降主要受固溶体消耗而非空位湮灭控制；人工时效中低淬火速率降低体积分数，但长时间时效后差异减小。4. 力学性能退化与时效析出相体积分数损失直接相关，平均半径和尺寸分布变化为次要因素。