Ti合金化对Al-Zn阻尼合金组织及性能的影响

作     者：张卓琳 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张松

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Al-Zn阻尼合金 Ti合金化 固溶时效 共析组织 阻尼性能 力学性能 

摘      要：现代工业的发展对特定运用场景的阻尼材料提出了新的要求,包括轻量化、对人体环境无害、减振和机械性能优异等。Al-Zn阻尼合金具有减振性能好、密度小、价格低和加工性能好等优点而受到广泛关注。然而该类合金的力学性能相对较差,这在一定程度上限制了其更为广泛的应用。合金化是提高合金综合性能(特别是阻尼性能和力学性能之间良好的平衡)的重要手段之一。本文通过井式电阻炉熔炼的方法制备了不同Ti含量的Al-Zn基阻尼合金,其名义成分为49.9Al-(50-x)Zn-x Ti-0.1Ce(at.%,x=0,0.1,0.5,1,2,3),分别被简称为0Ti、0.1Ti、0.5Ti、1Ti、2Ti和3Ti合金。将上述合金在400℃下进行轧制变形(累计下压量为50%),并在不同工艺下对其进行固溶及时效处理(固溶温度和时间分别为380℃和1、2、4、6、10 h,时效温度和时间分别为150℃和1、2、4、6、10、12、14 h)。研究了不同Ti含量下,铸态、轧制态及固溶时效态Al-Zn合金的微观组织、阻尼性能及力学性能的变化规律,并深入分析了其组织形成、阻尼产生机理以及强韧化机制,得出以下主要结论:不含Ti的铸态及轧制态Al-Zn阻尼合金主要由黑色和灰色区域的α+η共析组织及少量共晶组织组成(共晶组织主要由η-Zn基体和分布在其之上的细小α+η共析体构成);经过一定温度和时间的固溶及时效处理后,则主要由连续均匀的α+η共析组织组成。含Ti的铸态及轧制态Al-Zn阻尼合金主要由AlTi块、黑色和灰色区域的α+η共析组织以及少量共晶组织构成;经过一定温度和时间的固溶及时效处理后,则由AlTi块和连续均匀的α+η共析组织组成。随着Ti含量的增加,AlTi块及共晶组织含量逐渐增加。此外,在铸态和轧制态下含Ti合金的AlTi块内部以及固溶时效态下含Ti合金的基体上,还可观察到一些裂纹和孔洞。随固溶时间的延长,含Ti合金中AlTi块的尺寸逐渐减小。铸态下黑色和灰色区域的α+η共析组织均为片层结构。轧制后黑色区域的片层结构转变成了粒状结构,而灰色区域仍保持片层结构。随Ti含量的增加,黑色区域共析组织的片层间距和粒径以及灰色区域共析胞的尺寸呈现出逐渐减小的趋势。与铸态和轧制态相比,固溶时效后连续均匀的α+η共析胞的尺寸明显减小,且其仍具有粒状和片层状两种形貌。随着Ti含量的增加,共析胞尺寸及共析两相尺寸均有所减小,但片层结构所占比例有所增加;随着固溶和时效时间的延长,共析组织发生粗化,但粒状结构所占比例增加。总地来说,合金阻尼性能随应变振幅的增加而上升;随温度的升高呈现出先缓慢增加后快速增加的趋势;在临界温度以下,随频率的增加略有提高,而在临界温度以上,随频率的增加则明显下降。铸态和轧制态Al-Zn合金的阻尼性能随Ti含量的增加呈现先上升后下降的趋势,且当Ti含量为0.5 at.%时均具有最好的阻尼性能(当应变振幅为10时,铸态和轧制态下的0.5Ti合金的Q值分别为0.018和0.028)。与铸态和轧制态相比,经一定温度和时间的固溶及时效处理后,Al-Zn合金的阻尼性能得到明显提升。而且,随着Ti含量的增加以及固溶和时效时间的延长,合金阻尼性能均呈现出先增加后下降的趋势,但不同Ti含量合金所获得最优阻尼性能的时效时间不同(0Ti、0.5Ti、1Ti和3Ti的最优时效时间分别为1、1、4、12 h)。当应变振幅为10时,0.5Ti、1Ti和3Ti合金的Q值分别约为0.065、0.062和0.064,相比0Ti合金(其Q值约为0.05)分别提升了约30%、24%和28%。对铸态Al-Zn阻尼合金而言,其硬度和延伸率随Ti含量的增加呈现出先上升后下降的趋势,但抗拉强度变化不大。轧制后Al-Zn合金的力学性能得到一定程度的改善,且其硬度、延伸率和抗拉强度均随Ti含量的增加而呈现先上升后下降的趋势(当Ti含量为1 at.%时,合金的硬度、延伸率和抗拉强度分别约为90.4 HB、24%和311 MPa,相比0Ti合金分别提升了约11.9%、140%和13.1%)。经过一定温度和时间的固溶及时效处理后,不含Ti合金的力学性能得到一定程度的改善(最大抗拉强度为345 MPa,比轧制态分别提升约10.9%),但含Ti合金的力学性能反而有所下降。而且,随着固溶和时效时间的延长,不含Ti合金的抗拉强度逐渐降低,而含Ti合金的抗拉强度则逐渐提高,延伸率没有呈现明显变化规律。