Acta Mater：表面磨損處理加速Al-Zn-Mg-Cu合金沉淀和相的增長

【引言】

高強度時效硬化鋁合金通常用于飛機上結構部件。許多Al合金部件經歷了冷軋、機加工、研磨和拋光等工藝使得合金表面引起嚴重的塑性變形。 這種變形的表面層含有超細晶粒/子粒和其他缺陷，影響部件的使用性能，特別是耐腐蝕性。Al合金中的這種ASL（表面改性層）與下面的基質相比已顯示出不同的耐腐蝕性，或者更加敏感或者更耐腐蝕。本片文章將對這一現象進行研究。

【成果簡介】

最近，來自哈爾濱工業大學的甄良教授、王珊珊博士（共同通訊）在Acta Materialia上發表一篇名為“Accelerated precipitation and growth of phases in an Al-Zn-Mg-Cu alloy processed by surface abrasion”的文章。研究者發現合金在磨損后表面會產生厚度為0.4-0.8μm的改性表面層（ASL）。在ASL中觀察到高密度的位錯和寬度約50-120 nm的超細亞晶粒，會提高鋁合金的耐腐性。但自然時效很長時間后，經空位，位錯和亞晶粒/晶界加速的增強擴散被認為是加速沉淀和非典型相增長的主要原因。

【圖文信息】

圖1 由FIB(聚焦離子束)垂直分切成最終磨損方向的AA7055-T73試樣，其截面亮場的TEM(透射電子顯微鏡)和HAADF(高角環形暗場像)的圖像，看出子晶粒幾乎是等軸大小。

（a）低放大倍數TEM圖片；

（b）（a）中矩形區域高放大倍數TEM圖片；

（c）低放大倍數高角環形暗場像圖片；

（d）（c）中矩形區域高放大倍數高角環形暗場像圖片；

（a,c）中的虛線表示ASL（表面改性層）到底層基底的近似程度。在（a）圖中，底層的兩個晶界被標記為雙向箭頭。在（d）圖中，子晶界上相對大些的沉淀物被標記為三角符號。圖2中的EDS（能譜）是基于圖（c,d）的1-5線條。圖（a-d）分別是幾個TEM或HAADF圖像的拼貼。

圖2 ?基于圖1（c）和（d）中線條1-4的EDS（能譜圖）圖像

交叉通過（a）中標記為I線的沉淀物含有高含量的Mg和Zn，這就是η像。（c）中標記為III的線表示存在AL的氧化物。交叉通過（b,d-f）中標記為II, IV-VI線的沉淀物含有高含量的Cu。

圖3 電子衍射花樣

圖1（c）中標記為IV的Al2Cu晶界析出物分別在（a）[111]和（b）[132]晶向上的電子衍射花樣。

圖4 ?1200粒磨損AA7055-T73試樣其截面亮場的TEM(透射電子顯微鏡）圖像

（a）沿著最終磨損方向切割，1200粒磨損AA7055-T73試樣其截面亮場的TEM(透射電子顯微鏡）圖像，顯示出了ASL中的層狀亞晶結構和位錯。

（b）圖（a）I線區域[011]晶向的電子衍射花樣；

（c）圖（a）紅色方框標記區域的高分辨率投射電子衍射圖像；

（d）圖（c）中白色方框處的FFT（快速傅氏變換）；

（e）（d）中標有紅色圓圈區域的傅里葉濾波圖像（逆FFT）；

? ?圖（e）中的圓圈表示位錯。圖（a）中的虛線表示ASL進入底層基質的相似程度；

圖5?1200粒磨損AA7055-T73試樣其截面HAADF(高角環形暗場像)的圖像

1200粒磨損AA7055-T73試樣其截面HAADF(高角環形暗場像)的圖像，表示出經表面磨損后不同階段自然時效的顯微組織變化。

（a,d）2個月；（b,e）12個月；（c,f）42個月；

（d-f）分別是(a-c)標記方框處的高放大倍數圖像。圖（b）是兩個HAADF圖像的拼貼。虛線表明了ASL和ASL影響區的分割處。

圖6 ?1200粒磨損AA7055-T73試樣的HAADF圖像和EDS圖像

經42小時自然時效后，1200粒磨損AA7055-T73試樣的HAADF圖像和EDS圖像。使用了背景去除K的X-射線。

圖7 ?沉淀物電子衍射花樣

圖5中沿著不同晶向標記為III′′ (a,b) 和IV′ (c,d)的沉淀物電子衍射花樣。標記為III′′ 和 IV′的沉淀物分別與AlCu和?Zn的晶相一致。

圖8 ?320粒磨損AA7055-T73試樣其截面HAADF(高角環形暗場像)的圖像

由FIB(聚焦離子束)垂直分切成最終磨損方向的320粒磨損AA7055-T73試樣其截面HAADF(高角環形暗場像)的圖像，展現出經表面磨損后不同階段自然時效的顯微組織變化：

（a）2個月；? （b）12個月；? （c）42個月；

虛線表明了ASL和ASL影響區的大致分割處。圖9的EDS圖像是本圖（c）中長方形標記的區域。

圖9?320粒磨損AA7055-T73試樣的HAADF圖像和EDS圖像

經42小時自然時效后，320粒磨損AA7055-T73試樣的HAADF圖像和EDS圖像。使用了背景去除K的X-射線。

圖10?較大的沉淀相的電子衍射花樣

在圖8b中標記V′ (a,b), VIII′(c,d)和X′（e,f）處相對較大的沉淀相的電子衍射花樣。標記為V′, VIII′ 和 V′的沉淀相分別與AlCu，Al₂Cu和Al₂Cu相是一致的。

圖11?ASL表面磨損后，Zn和Al₂Cu相加速析出過程示意圖

【結論】

通過S / TEM分析了Al-Zn-Mg-Cu合金經表面磨損產生的表面改性層中的微觀結構的演變，在ASL中觀察到超細亞晶和高密度位錯，會提高鋁合金的耐腐性。但自然時效很長時間后，經空位，位錯和亞晶粒/晶界加速的增強擴散被認為是加速沉淀和非典型相增長的主要原因。可以合理地預期磨損樣品的腐蝕行為
會由于長期自然時效期間表面微觀結構的劇烈變化而發生變化。

文獻鏈接：Accelerated precipitation and growth of phases in an Al-Zn-Mg-Cu alloy processed by surface abrasion（Acta Materialia，2017，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.03.074）

整理人：段鵬超

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