7XXX系铝合金时效析出过程中的原子团簇影响规律及其作用机理

Precipitation strengthening is a major strengthening mechanism in aluminium alloys. So far, the precipitation behavior in the late stage of ageing of 7xxx aluminium alloys is understood, but that in the early stage is still not clearly established, which influence the structure design and processing control. Therefore, this project focuses on the cluster composition and structure and its impact on the nucleation of strengthening phases in 7xxx aluminium alloys at an atomic level. In contrast to existing approaches, this project combines modern techniques of 3DAP, ChemiSTEM, HAADF-STEM and in situ SEM/TEM to systematically investigate the initial aging structures in multi-element alloys based on Al-Zn-Mg-Cu-(Ag) systems. The role of additions of Cu and Ag, and the application of heat and stress on the formation of clusters and their transformation to the subsequent precipitation of key strengthening phases is investigated. The methods of promoting the formation of good clusters to further change the nucleation rate and distribution of strengthening phase and improve the strength of alloys are analyzed. The findings to be obtained in this project can contribute to the theory of phase transformation, and are of critical importance to the advanced design of alloy compositions and processing conditions not only for aluminium alloys but also to metallic materials as a whole.

沉淀强化是铝合金最主要的强化机制，迄今对7xxx系合金时效后期的析出行为已有较为成熟的认识，但其时效早期微结构的演变仍不清楚，影响了合金后续结构设计和工艺调控的精确程度。本项目聚焦7xxx系铝合金溶质原子团簇成分结构及其对沉淀强化相形核的影响，由原子尺度入手揭示原子团簇和沉淀强化相之间的关系。采用三维原子探针、扫描透射原子成像、原位电镜技术等先进的分析手段，定量表征Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)系合金早期析出产物的微结构特征，揭示Cu、Ag元素及外场在原子团簇形成及影响后续析出过程中所起的关键作用，阐明促进有益团簇形成以改善强化相形核和分布，从而进一步提高合金强化效果的有效途径，为在原子尺度上调控合金微观组织、优化合金成分和热处理工艺提供理论依据。深入理解原子团簇影响规律和微合金化作用机理可进一步丰富析出相变理论，对铝合金及其它金属材料的微观结构设计和调控具有参考价值。

轻质高强7xxx系铝合金是航空航天等重要领域的关键结构材料，从源头上研究该系列合金时效行为、揭示其析出产物在热处理加工过程中的演变规律对于开发高性能铝合金具有重要的指导意义。因此，本项目聚焦7xxx系铝合金时效析出过程中的原子团簇影响规律及其作用机理，研究了Ag含量、Cu含量、Zn/Mg比及不同预处理对Al-Zn-Mg-Cu(Ag)系合金的微观组织演变规律和力学性能的影响，深入研究了原子团簇形成及在后续关键析出相形成中的作用机理。研究内容主要为三大部分：① 7xxx铝合金原子团簇的形成及其存在的临界条件；②微合金化元素对原子团簇形成与转变的影响机理；③外场作用对原子团簇形成与转变的影响机理。研究表明，Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)合金中析出相的形核过程符合“空位团簇机制”。Ag促进Cu在合金时效早中期的析出，抑制其在时效后期的析出。Ag对η′相的促进作用与形核阶段团簇中(Zn+Cu)/Mg比的增加有关。Cu对固溶态合金中溶质元素偏聚行为存在促进作用，且能提高析出相对位错运动的阻碍能力，此外Cu可以延缓析出相的粗化行为。Zn含量的增加可以显著明显促进溶质形成原子团簇，对Zn和Mg元素的影响尤其显著。随着应变量的增加，团簇的数量密度和体积分数先降低后升高，低应变量变形有利于合金在后续时效过程中获得细小密集的析出相，但是高应变量变形可能会加快合金的时效动力学，降低合金的强度。研究结果对于从源头上理解Al-Zn-Mg-Cu(Ag)系合金的时效行为，提高合金强化效果具有重要指导作用，对其它可热处理强化铝合金的微观结构设计和调控具有参考价值。