冷热加工及Yb含量对Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金力学和电学性能的影响

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以99.991(重量百分比,下同)高纯铝,Al-1.85Sc、Al-4.52Zr和Al-5.08Yb中间合金为原料,采用熔配法制备Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)(Yb=0,0.01,0.02,0.03,0.04)铸态合金。铸态合金经640oC×24h均匀化处理后,分别进行冷轧、峰时效+冷轧、热挤,热挤+冷轧四种冷热加工。通过硬度测试,对不同冷热加工态合金的时效条件进行了优化。通过典型时效条件下的室温拉伸测试,以及及不同冷热加工峰时效前后电阻测量,获得了冷热加工工艺及Yb含量对合金综合性能的影响,并对其内在原因进行了分析。  硬度测试结果表明:冷轧,峰时效+冷轧合金均存在欠时效、峰时效和过时效阶段,最佳时效温度均为330℃。而对热挤+冷轧态,只有0.01%和0.02%Yb合金在时效时具有时效强化效果,最佳时效温度仍为330 ℃。典型时效条件下的拉伸性能也证实了这一结果。不同冷热加工对合金拉伸性能有显著影响,峰时效+冷轧+峰时效合金的抗拉强度?b最高(206.0~224.4MPa),延伸率?在10.2~11.2%间;热挤+冷轧+峰时效合金次之(154.3~212.3MPa),?在13.4~17.8%间;而冷轧+峰时效合金最低(131.6~158.4MPa),?在11.9~13.2%间。  时效强化峰出现的原因如下:不同冷热加工合金在峰时效时会析出次生Al3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀强化相,同时位错恢复和再结晶形成的亚晶粒也有强化作用。0,0.03,0.04%Yb含量的热挤+冷轧合金中在时效过程中不出现时效强化峰的原因在于:这些合金经热挤(460oC)后缺乏过饱和的Zr、Yb固溶原子,时效时不能析出次生 Al3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀强化相。本实验所添加的Yb,Zr总重量相同(0.04%),Zr在 Al基体中室温固溶度很小,即使是快冷,单独加Zr时合金中也只有部分Zr处于(过饱和)固溶方式,其余Zr则以中间相形式析出。用0.01%Yb部分替换Zr时,Zr含量降低为0.03%,可认为过饱和Zr原子数量并未明显减小,只是形成中间相的Zr元素减小而已。而此时合金中还含有0.01%Yb,大部分应处于过饱和固溶状态。继续增加Yb含量时,则会因Yb原子量显著大于Zr原子,使合金中过饱和固溶Yb、Zr原子总量连续降低。因而只有0.01%和0.02%Yb合金中具有足够多的过饱和Yb、Zr固溶原子,因而在时效中可析出起到沉淀强化作用。  导电性测试表明:冷热加工和Yb含量对Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金导电性的影响远低于对拉伸性能的影响。对冷热加工态而言,0.01%Yb合金具有最低导电性,随着 Yb含量增加,导电性有连续增加趋势。这是因为0.01%Yb含量合金具有最高的过饱和Yb、Zr原子总数,对电子的散射几率最大。随着Yb含量增加,过饱和Yb、Zr原子总数不断减小,对电子的散射几率也不断减小。冷热加工后的峰时效可明显提高合金相对电导率?20(~4%IACS),这与次生Al3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀相的析出,以及位错恢复和再结晶有关。热挤+峰时效和热挤+冷轧+峰时效处理合金?20随Yb含量增加先降低后升高,0.01%Yb含量合金导电性最差。这与过饱和固溶元素随Yb含量变化有关。冷轧+峰时效处理合金,?20随Yb含量增加而连续增加,当Yb含量增加至0.04%时,则有较明显降低。而对具有最高拉伸强度的峰时效+冷轧+峰时效处理合金,?20随Yb含量增加近似连续降低。这可能是因为Yb含量增加时,会形成更多的次生Al3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀相和取向差较大的亚晶界,拉伸强度随Yb含量增加近似连续也支持这一观点。  综上所述:峰时效+冷轧+峰时效Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金兼具最佳的拉伸性能和导电性。随着Yb含量增加,合金强度近似连续增加,20oC相对电导率和电阻温度系数则连续降低。其抗拉强度为206.0~224.4MPa,延伸率为10.2~11.2%,20oC相对电导率为60.75~62.71%IACS。该合金综合性能大幅超过IEC62004标准所规定的AT1,AT3和AT4耐热导电铝合金性能。通过提高冷轧量,牺牲部分延伸率,有望在强度方面达到 AT2耐热导电铝合金要求,而其它性能均显著优于AT2耐热导电铝合金。
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