Zn/Mg比对150°C时效Al–Zn–Mg合金微观结构和粗化抗性的影响

《Metals》：Effect of Zn/Mg Ratio on the Microstructure and Coarsening Resistance of Al–Zn–Mg Alloys Aged at 150 °C

　　

研究人员通过显微硬度测试、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）在150°C等温时效过程中研究了Zn/Mg比在调控Al–Zn–Mg基合金微观结构、析出相演变和粗化抗性中的作用。研究人员设计了三种合金成分，其Zn/Mg比分别为1.6、2.4和3.9，而Zn和Mg的总含量固定为6.0 wt%。所有合金均表现出典型的时效硬化响应，而最大峰值硬度出现在中等Zn/Mg水平而非两个极端值。最优成分（Zn/Mg = 2.4）达到了137 HV，这可归因于形成了最细小的析出相（~3 nm）和最高的数密度。此外，该合金在长时间时效（192 h）后表现出最小的硬度损失（ΔH = 19 HV）。TEM分析表明，该合金在192 h时具有最低的粗化速率常数，K_r = 0.43。此外，Zn/Mg比的变化影响了晶界析出，导致在Zn/Mg = 2.4时无沉淀区（PFZ）宽度最小，同时各合金中晶界析出相保持相似的不连续分布。总体而言，调整Zn/Mg平衡提供了一种有效策略，以实现细化的析出相、改善的粗化抗性和增强的力学性能，并具有优异的热稳定性。

**Al–Zn–Mg合金中Zn/Mg比对微观结构及粗化抗性的影响**

**研究背景与问题**
Al–Zn–Mg基合金因其高比强度和优异的成形性，在航空航天、交通运输及深海能源勘探等领域广泛应用。其力学性能主要依赖于析出强化，而析出相的特征（形态、尺寸、稳定性）强烈受合金成分及时效工艺影响。Zn和Mg是主要强化元素，其总含量（Zn + Mg）及相对比例（Zn/Mg）是决定析出行为、力学性能和热稳定性的关键参数。以往研究多关注Zn/Mg比对室温性能（如拉伸强度、腐蚀性能、再结晶行为）的影响，但在高温长期服役条件下，析出相粗化导致的强化退化问题尚未充分阐明。尤其对于无Cu的Al–Zn–Mg合金，Cu元素的缺失使得Zn/Mg比的影响更为凸显。因此，研究人员通过设计不同Zn/Mg比（1.6、2.4、3.9）的Al–Zn–Mg–Zr合金，系统研究了Zn/Mg比对铸态及均匀化微观组织、析出相演变、粗化动力学和热稳定性的影响，旨在为开发具有优异热稳定性的高性能铝合金提供成分设计依据。该论文发表在《Metals》。

**主要技术方法**
研究人员以三种Zn/Mg比（1.6、2.4、3.9）的Al–Zn–Mg–Zr合金为研究对象，总Zn + Mg含量固定为6.0 wt%，并添加微量Zr以提高再结晶抗性。采用维氏硬度测试（HXD-1000TM/LCD，100 gf，15 s）和电导率测量（SIGMATEST 2.069）表征时效硬化响应及析出程度；利用扫描电子显微镜（SEM，JEOL-2100F）观察铸态及均匀化微观组织；通过透射电子显微镜（TEM，200 kV）分析析出相形貌、尺寸、数密度及晶界特征；基于Ostwald熟化模型计算粗化速率常数以评估析出相稳定性。所有合金均在150°C下进行等温时效处理，时效时间从0 h延长至192 h。

**研究结果**

**3.1 铸态微观组织**
通过SEM观察，铸态合金中残留少量初生相（体积分数约0.05%），主要包含T相（Al₂Mg₃Zn）、η相（MgZn₂）及含Fe、Si的杂质相。EDS线扫描显示Zn和Mg元素存在显著偏析。

**3.2 均匀化微观组织**
经两阶段均匀化处理后，初生相几乎完全溶解，仅残留少量富Fe、Si颗粒。线扫描结果表明Zn和Mg的偏析被有效消除。

**3.3 时效硬化响应**
硬度测试表明，所有合金均呈现典型时效硬化曲线：早期硬度上升，20–32 h达到峰值，随后因过时效而下降。峰值硬度随Zn/Mg比呈非线性变化，中间比例（Zn/Mg = 2.4）获得最高值137 ± 4 HV，而Zn/Mg = 1.6和3.9合金分别为115 ± 3 HV和123 ± 4 HV。同时，峰值时效时间随Zn/Mg比增加从32 h缩短至20 h，表明高Zn/Mg比加速时效响应。电导率测试显示，高Zn/Mg比合金电导率较高，归因于Mg原子对Al基体电导率的降低作用更强。

**3.4 晶界析出相和无沉淀区（PFZ）**
TEM观察显示，峰值时效态下，PFZ宽度随Zn/Mg比先减小后增大：Zn/Mg = 1.6时最宽（~634 nm），Zn/Mg = 3.9时次之（~438 nm），Zn/Mg = 2.4时最窄（~341 nm）。三种合金的晶界析出相均呈不连续分布，无明显差异。

**3.5 析出相演变和粗化行为**
TEM明场像及选区电子衍射（SAED）表明，所有合金中均存在三种析出相：球状T′相、片状η′相和棒状η相。峰值时效时，Zn/Mg = 2.4合金析出相最细小（等效半径~3 nm）且数密度最高，而Zn/Mg = 1.6和3.9合金分别约为5 nm和4 nm。长时间时效（120 h、192 h）后，所有合金发生明显粗化，但Zn/Mg = 2.4合金析出相尺寸增长最慢（192 h时~5 nm），硬度下降最小（19 HV），而Zn/Mg = 1.6和3.9合金硬度分别下降26 HV和38 HV，析出相半径增至约8 nm。高分辨TEM（HRTEM）及快速傅里叶变换（FFT）进一步确认了T′、η′和η相的晶体结构。

**3.6 粗化动力学**
基于Ostwald熟化关系（r³ ∝ t），计算粗化速率常数K_r。Zn/Mg = 1.6、2.4、3.9合金的K_r分别为1.59、0.43和2.24，表明Zn/Mg = 2.4合金粗化速率最低，抗粗化能力最强。这与该合金中T′/η′相比例平衡有关：T′相较η′相具有更好的热稳定性，而η′相提供更强的析出强化效果。Zn/Mg = 2.4合金中T′相和η′相的比例适中，实现了初始强化能力与长期稳定性的协同。

**结论**
研究人员系统研究了Zn/Mg比（1.6、2.4、3.9）对150°C时效Al–Zn–Mg合金析出相演变和粗化稳定性的影响。随着Zn/Mg比从1.6增加到3.9，硬度响应先增后减，峰值硬度在Zn/Mg = 2.4时最高（137 ± 4 HV），而Zn/Mg = 1.6和3.9合金分别为115 ± 3 HV和123 ± 4 HV。达到峰值时效的时间从32 h缩短至20 h。所有合金中均存在三种析出相：球状T′、片状η′和棒状η。峰值时效时，Zn/Mg = 2.4合金析出相最细小（r ~3 nm）且数密度最高。长时间时效192 h后，Zn/Mg = 1.6、2.4、3.9合金的硬度下降分别为26 HV、19 HV、38 HV，析出相半径分别约为8 nm、5 nm、8 nm。基于Ostwald熟化关系（r³ ∝ t），计算粗化速率常数分别为1.59、0.43、2.24，表明Zn/Mg = 2.4合金粗化速率最低。此外，Zn/Mg比影响晶界析出，Zn/Mg = 2.4时PFZ宽度最小，同时各合金中晶界析出相保持不连续分布。因此，在总Zn + Mg含量不变的情况下，Zn/Mg = 2.4的合金提供了最平衡的析出特征，实现了最高的峰值硬度和最佳的抗粗化能力。