论文标题：Effects of Excessive Zr Content and Ultrasonic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Al-Zn-Mg-Cu Alloy（过量Zr含量及超声处理对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响）

期刊：Metals

作者：Cheng Li, Shusen Wu, Shulin Lü, Jianyu Li, Longfei Liu and Lanqing Xia

发表时间：13 April 2021

DOI：10.3390/met11040632

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前言

Zr (锆) 元素是7xxx系列Al (铝)-Zn (锌)-Mg (镁)-Cu (铜) 合金的重要晶粒细化剂之一，但Zr含量大于0.15 wt.%时所产生的影响需要进行深入研究，尤其是在超声振动作用下。本文研究了Zr含量 (0.1-0.25 wt.%) 对Al-6.4Zn-1.9Mg-2.0Cu合金微观组织和力学性能的影响。

实验过程

四种合金的主要成分基本相同，即Al-6.4Zn-1.9Mg-2.0Cu，仅Zr的含量 (wt.%) 不同：0.1%、0.15%、0.2%、0.25%。合金在电阻炉中熔化，并在740 °C下通过氩气进行精炼除气。通过普通挤压铸造 (SC) 和超声处理后挤压铸造 (UT-SC) 制备了Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金试样。试样尺寸为直径30 mm、长度110 mm。UT-SC的技术参数如下：超声波功率为2 kw，超声频率为20 kH，超声波处理时间为2 min；浇注温度为670±10 ℃，挤压压力为100 MPa，金属型预热温度为200 °C。除了无超声波处理外，普通挤压铸造工艺中使用了相同的工艺参数。

研究结论

结果表明，Zr元素可以细化晶粒，但当Zr含量大于0.15 wt.%时，晶粒尺寸不均匀，第二相化合物数量增多，组分偏析加剧；当Zr为0.25 wt.%时，最大晶粒尺寸大于120 微米，而最小晶粒尺寸小于30 微米，晶粒尺寸差异较大。此外，随着Zr含量的增加，成分偏析严重，晶粒中出现大量第二相，Zr元素偏析，形成许多初生Al3Zr相。

研究发现，经超声处理后，晶粒尺寸的不均匀性大大改善，Zr含量可增加到0.2 wt.%；当Zr含量等于或低于0.2 wt.%时，超声处理可以通过细化晶粒和减弱偏析有效改善材料的力学性能。这是由于超声处理产生的空化和声流效应提高了固-液界面前沿溶质元素的再分配能力，加快了凝固前沿的冷却速度，增加了Zn、Mg元素的固溶含量，非平衡共晶相较小，晶粒中第二相消失，从而有效地削弱了偏析。此外，超声处理可以抑制Zr元素的偏析，防止大量初生Al3Zr相的形成。

然而，当Zr含量达到0.25 wt.%时，效果变得更差。尽管α-Al晶粒可以细化，但晶间非平衡共晶相尺寸增大，导致力学性能下降。

图1和图2分别显示了挤压铸造 (SC) 和超声处理后挤压铸造 (UT-SC) 试样 (0.2 wt.%Zr合金) 的电子探针元素图。与SC样品相比，UT-SC样品的第二相明显更小。SC试样晶界中的锌和镁浓度高于UT-SC试样。在相同温度下，Cu的扩散系数小于Mg和Zn的扩散系数，因此Cu只存在于两种合金的晶界中。EPMA图谱结果表明，SC试样中存在严重的元素偏析。这是因为7000系列合金的合金化程度高，锌、镁和铜的扩散系数低，导致合金元素在凝固过程中聚集在晶界。然而，这种偏析可以通过超声处理大大降低。

图1. 0.2 wt.%Zr合金挤压铸造 (SC) 试样中的主要元素分布：(a) Al；(b) Zn；(c) Mg；(d) Cu。

图2. 0.2 wt.%Zr合金超声处理 (UT-SC) 后挤压铸造试样中的主要元素分布：(a) Al；(b) Zn；(c) Mg；(d) Cu。

原文作者简介

吴树森博士，华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室教授。目前主要从事铝合金、镁合金及金属基复合材料的制备、金属凝固理论、金属液态及半固态精密成形等方面的研究。吴博士是湖北省机械工程学会铸造专业委员会主任委员、中国机械工程学会铸造分会常务理事，同时是Metals 等期刊编委会成员。

吴树森教授在Metals 期刊担任客座编辑，正在建立特刊“Casting Processes of Aluminum and Magnesium Matrix Composites”，欢迎相关学者阅读投稿！

特刊投稿截止日期：2022年5月31日

特刊详情页面：

https://www.mdpi.com/journal/metals/special_issues/casting_aluminum_magnesium

Metals 期刊介绍

主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。目前已被Science Citation Index Expanded、Scopus、Directory of Open Access Journals (DOAJ) 以及Inspec等数据库收录。

2020 Impact Factor：2.351

2020 CiteScore：3.4

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Time to Publication：34 Days