Гибридный наноструктурированный алюминиевый сплав с супер

NPG Asia Materials, том 7, стр. e229 (2015 г.) Цитировать эту статью

7950 Доступов

75 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Методы упрочнения алюминиевых сплавов использовались с момента открытия явления старения в 1901 году. Верхний предел прочности объемных алюминиевых сплавов составляет ~ 0,7 ГПа при обычном дисперсионном упрочнении и увеличивается до> 1 ГПа за счет измельчения зерна и аморфизации. Здесь мы сообщаем об объемном гибридном наноструктурированном сплаве Al с высокой прочностью как при комнатной, так и при повышенных температурах. Кроме того, основываясь на наблюдениях просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и теоретическом анализе, мы связываем механизм упрочнения совместным эффектом высокопрочного нанокристаллического ГЦК-Al и наноразмерных интерметаллидов, а также эффектом ограничения между этими нанофазами. . Мы также сообщаем о пластической деформации наноразмерных интерметаллидов и возникновении высокой плотности дефектов упаковки и двойников в ГЦК-Al после низкоскоростной деформации при комнатной и высоких температурах. Наши результаты могут быть полезны при разработке высокопрочных материалов для современных конструкционных применений.

Алюминий (Al) является одним из наиболее широко используемых цветных металлов в конструкционных целях благодаря положительному сочетанию низкой плотности, высокой удельной прочности, высокой коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемости и отличной пригодности к вторичной переработке.1 Это обусловлено необходимостью повысить низкую прочность алюминия (Al). чистого Al, усилия по разработке высокопрочных алюминиевых сплавов продолжаются с тех пор, как Альфред Вильм открыл явление старения в 1901 году. и упрочнение границ зерен (GB) постепенно были установлены.4 Применение этих механизмов упрочнения привело к разработке ряда специальных алюминиевых сплавов с улучшенной прочностью. Однако уровень предела текучести этих Al-сплавов, как правило, ограничен ~700 МПа.5

В последнее время разработка высокопрочных Al-сплавов ведется по двум основным направлениям:5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (1) создание ультрамелкозернистых или нанокристаллических (НК) Al-сплавов. которые благодаря своей усовершенствованной микроструктуре демонстрируют очень высокую прочность наряду с заметной пластичностью, и (2) производство металлических стекол (МГ) на основе Al, которые не содержат кристаллических дефектов, таких как ГБ или дислокации, и, следовательно, имеют очень высокую прочность. Хотя эти подходы достаточно эффективны для производства высокопрочных алюминиевых сплавов, все же существуют критические ограничения. Например, достижимые размеры МС на основе Al весьма ограничены (обычно ⩽1 мм) из-за плохой стеклообразующей способности сплавов на основе Al.12 Кроме того, неравновесное состояние и плохая термическая стабильность НК или MG-Al-сплавы ограничивают их использование при высоких температурах.12, 13 Альтернативным подходом к получению NC-материалов является кристаллизация аморфных твердых тел в соответствующих условиях термообработки.12, 14, 15, 16, 17 Хотя это обеспечивает успешный метод синтеза Al сплавов с прочностью, приближающейся к максимальной, он не обеспечивает хорошего контроля над микроструктурой и результирующими свойствами, которые в основном определяются кристаллизационным поведением аморфных предшественников. Здесь мы сообщаем о микроструктурной стратегии производства сплавов на основе Al со сверхвысокой прочностью и объясняем механизмы упрочнения.

Порошки номинального состава Al84Ni7Gd6Co3 (ат. %) получали методом газового распыления Ar. Эксперименты по измельчению проводились с использованием планетарной шаровой мельницы Retsch PM400 (Retsch GmbH, Дюссельдорф, Германия) в защитной атмосфере аргона (дополнительную информацию см. в Wang et al.18). Чтобы избежать любого возможного загрязнения в процессе измельчения, загрузка порошка и последующая обработка проб проводились в перчаточном боксе Braun MB 150B-G (M.Braun GmbH, Мюнхен, Германия) в атмосфере очищенного аргона (<1 ppm O2 и Н2О). Анализ содержания кислорода проводили методом горячей экстракции газа-носителя с использованием анализатора LECO USA TC-436 DR (LECO Co. Ltd., Сент-Джозеф, Мичиган, США). Содержание железа оценивали с помощью спектрофотометра CARL ZEISS Specord M500 (Carl Zeiss Jena GmbH, Йена, Германия). Серия объемных цилиндров Al84Ni7Gd6Co3 (диаметром 10 мм и длиной ~10 мм) была изготовлена ​​методом горячего прессования при 640 МПа и Thp=773 К с использованием газораспыленных порошков (ГП0) и порошков, измельченных в течение 50 ч (ГП1) и 100 ч (ГП2). ). Примерно 2–3,5 г порошка сначала помещали в матрицу диаметром 10 мм, а затем предварительно нагружали усилием 20 кН. Чтобы свести к минимуму риск загрязнения кислородом, перед горячим прессованием для дегазации камеру вакуумировали примерно до 1 × 10–4 Па. После достижения желаемой температуры горячего прессования проводили изотермическое горячее прессование в течение 3 минут выдержки. После горячего прессования для удаления образцов из камеры продували аргон. Фазы и микроструктуру изучали методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Philips PW 1050 (Philips, Эйндховен, Нидерланды) (Co K-излучение), методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе Leo Gemini 1530 (Zeiss, Оберкохен, Германия). оснащен энергодисперсионным рентгеновским излучением (EDX) и просвечивающей электронной микроскопией (TEM) с использованием микроскопа Philips Tecnai F30 (FEI, Эйндховен, Нидерланды), работающего при напряжении 300 кВ, с EDX и JEOL HRTEM 2100 (JEOL Ltd., Токио) , Япония) с автоэмиссионной пушкой. В соответствии со стандартом ASTM для испытаний на сжатие из консолидированных образцов были изготовлены цилиндры с соотношением длины к диаметру 2,0 (длина 6 мм и диаметр 3 мм). Образцы были испытаны при комнатной температуре на испытательной установке Instron 8562 (Instron Co., Норвуд, Массачусетс, США) при квазистатической нагрузке (скорость деформации 1 × 10-3 с-1) и при повышенных температурах на машине Instron 8562-3. (скорость деформации 1 × 10–4 с–1), и не менее трех образцов были случайным образом выбраны и испытаны по каждому параметру. Измерения микротвердости проводили с использованием твердомера HMV Shimadzu Vickers (Shimadzu Co. Ltd., Киото, Япония). Приведенные здесь значения твердости представляют собой средние значения для > 25 отпечатков на образец. Модуль Юнга измеряли с помощью ультразвуковой системы MATEC 6600 (Matec Instrument Companies Inc., Нортборо, Массачусетс, США) на плоскопараллельных образцах диаметром ~10 мм и длиной ~10 мм. Наноиндентирование проводили при комнатной температуре с использованием аппарата Agilent NanoSuite Nanoindentation G200 (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США), оснащенного наконечником Берковича. В настоящем исследовании использовалась постоянная скорость деформации при отпечатке ((dP/dt)/P) 0,05 с-1.