纳米TiB2-Sc协同作用下铸造铝锂合金晶界PFZ与析出相调控机制
批准号:
52205364
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李建宇
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
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中文摘要
铸造铝锂合金因轻量化显著、各向同性且易于成形大型复杂零件等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而,铸造铝锂合金在时效热处理过程中易形成晶界无析出带(PFZ)且δ'相(Al3Li)粗化严重,导致材料强韧性差而限制其应用,亟需开发有效的时效析出强化方法。本项目提出将少量纳米TiB2与微量Sc相配合对铸造铝锂合金时效析出行为进行协同调控的新方法,实现沉淀析出相/纳米颗粒在合金中均匀分布而大幅缩小晶界PFZ宽度,在显著提高合金强韧性的同时大幅度缩短峰时效时间。研究内容包括:1)纳米TiB2-Sc协同作用下凝固组织演变与TiB2颗粒分布控制方法;2)凝固组织、时效条件对晶界PFZ和析出相特征的影响规律及调控机制;3)纳米TiB2-Sc协同作用下铸造铝锂合金力学性能变化规律及强韧化机理。研究成果对于开发低密度、高强韧铸造铝锂合金强化及快速时效响应新技术,扩大铝锂合金的应用范围具有重要意义。
英文摘要
Cast Al-Li alloys have broad application prospects in the aerospace field due to their remarkable light weight, isotropy and feasibility in large and complex parts. However, in the process of aging heat treatment, cast Al-Li alloys are prone to form precipitation free zone (PFZ) at grain boundaries and δ'(Al3Li) phase is severely coarsened, resulting in poor strength and toughness of cast Al-Li alloys, which limits their industrial applications. Therefore, it is urgent to develop an effective aging precipitation strengthening method for cast Al-Li alloys. This project proposes a novel method to synergistically control the aging precipitation behavior of cast Al-Li alloys by introducing a small amount of TiB2 nanoparticles with minor Sc elements, so as to achieve the uniform distribution of precipitates/ nanoparticles in the alloy and greatly reduce the width of grain boundary PFZ, which not only significantly improves the strength and toughness of the alloy, but also greatly shortens the peak aging time. The research contents include: 1) The evolution of solidification microstructure and the control method of TiB2 particle distribution under the synergistic effect of nano-TiB2-Sc; 2) The influence of solidification microstructure and aging conditions on the characteristics of grain boundary PFZ and precipitates and their regulation mechanism; 3) Variation in mechanical properties, and strengthening & toughening mechanism of cast Al-Li alloys under the synergistic effect of nano-TiB2-Sc. The research results have important significance for developing new technologies of strengthening and rapid aging response of low-density, high strength and toughness cast Al-Li alloys, and expanding the application range of Al-Li alloys.
铝锂合金因其高模量和低密度等优异性能,在航空航天等尖端领域受到广泛关注。铸造铝锂合金因晶粒粗大、内部位错密度低,峰时效时间较长且时效过程中容易导致δ'相(Al3Li)和晶界无析出带(PFZ)粗化问题,而使合金析出强化效果不理想。自主开发了一种将高能球磨制备nano-TiB2/Al复合粒子、高真空熔铸预制块、低真空熔炼法、超声辅助nano-TiB2分散与挤压铸造成形相结合的新技术,系统研究了不同成形工艺和微合金化条件下铸造铝锂合金凝固组织演变及纳米TiB2分布规律,阐明纳米TiB2-Sc协同作用下铝锂合金凝固行为与TiB2颗粒分散机理;研究了不同初始凝固组织和热处理条件下热处理过程中析出相特征及晶界PFZ的演变规律,厘清了铝锂合金在凝固、固溶及时效过程中的原子尺度演化行为,最终揭示纳米TiB2-Sc对晶界PFZ及析出相演变的协同调控机制;研究了不同初始凝固组织和热处理条件下铸造铝锂合金的力学性能演变规律,厘清了纳米TiB2-Sc协同作用下晶界PFZ与析出相特征变化与力学性能的关系,并揭示了其强韧化机理,从而获得低密度、高强韧的铸造铝锂合金材料。主要获得了以下重要结果:1)采用熔体超声精炼处理与挤压铸造成形相结合的新方法,可使得铸造铝锂合金的孔隙率和晶界偏析显著降低、晶粒尺寸明显减小,特别是将纳米TiB2颗粒与Sc元素同时添加能获得更加优异的铸造铝锂合金凝固组织,综合力学性能相比传统工艺大幅提升;2)阐明了纳米TiB2与Sc的协同作用可细化凝固组织、促进纳米颗粒弥散分布,并有效抑制时效过程中晶界PFZ的粗化与δ'相的过度长大,从而实现强韧化;3)开发了一种新型高Cu/Li比的Al-5Cu-xLi (x=0.3, 0.6, 0.9, 1.2wt.%)合金与其匹配的热处理工艺,热处理后合金室温抗拉强度≥465MPa,伸长率≥16.5%;4)建立了Al-2Li-2Cu合金的原子尺度模拟模型,开发了适用于xTiB2/Al-2Li-2Cu(-0.2Sc)合金的T6热处理工艺(435℃×10h+515℃×28h+180℃×18h),热处理后合金室温抗拉强度≥449MPa,伸长率≥6.5%。本项目研究成果可为高强韧铸造铝锂合金及其制备成形一体化技术的发展提供重要的理论指导和技术支持。
基于纳米粒子与超声固溶协同调控的铸造铝锂合金及其强韧化机制
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批准号:2026JJ60184
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2026
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负责人:李建宇
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依托单位:
国内基金
海外基金