Эволюция состава и доли наночастиц при двухстадийном отжиге сплавов Al-Zn-Mg по данным АПТ и ВРТЭМ

Аннотация

В данном исследовании применялись атомно-зондная томография (АПТ) в связке с высокоразрешающей проходной электронной микроскопией (ВРТЭМ) для количественной оценки размера, доли и химического состава осадков, образующихся при двухстадийном, двухпиковом режиме отжига сплава Al-Zn-Mg. Установлено, что содержание алюминия в наночастицах сильно зависит от их размера: частицы с эквивалентным радиусом ниже ~3 нм содержат >50 ат.% Al, тогда как частицы выше ~5 нм — <40 ат.% Al. Трансформация зон Гиньера-Престона (ГП-зоны) в равновесную η-фазу проходит через η′-промежуточную фазу, включающую больше Mg и Zn, вытесняющих Al. На первом пике отжига ГП-зоны составляют ~85% всех наночастиц, на втором пике η′-фазы доминируют (~55%). Даже после длительного переотжига (T73) ГП-зоны сохраняются на уровне ~20%, а η-фазы составляют ~63% популяции осадков, что подчеркивает их влияние на механические свойства.

Введение

Сплавы Al-Zn-Mg (и Al-Zn-Mg-Cu) достигают высокой прочности за счет выпадения твердых фаз. Классическая последовательность выпадения в этих системах проходит от перенасыщенного твердого раствора через когерентные ГП-зоны, полукогерентные η′-промежуточные фазы к некогерентным равновесным η-фазам (MgZn₂). Ранние работы выявили два пика твердости при двухстадийном отжиге, атрибутируя первый к ГП-зонам, второй — η′-фазам. Однако конвенциональная ТЭМ дает только двумерное представление, ограничивая точное определение долей и составов осадков. Атомно-зондная томография (АПТ) с 3D поднаноразрешающей способностью обеспечивает точное элементное картирование и уникально подходит для заполнения этих пробелов. Хотя предыдущие АПТ-исследования сообщали разные Zn/Mg соотношения и Al-содержание в осадках Al-Zn-Mg, ни одно не отслеживало комплексно эволюцию долей каждого типа осадков на всем пути отжига. Настоящая работа закрывает этот пробел, комбинируя АПТ и ВРТЭМ для полноценного представления об эволюции наночастиц, тем самым направляя оптимизацию режимов отжига для высшей производительности сплавов.

Методы

Материал

Исследуемый сплав (7N01) содержал 4,06 масс.% Zn, 1,30 масс.% Mg, 0,30 масс.% Mn, 0,18 масс.% Cr, 0,13 масс.% Zr, 0,05 масс.% Ti, остальное Al. Образцы были экструдированы, закалены водяным распылением, естественно отстарены 72 ч, затем подвергнуты двухстадийному искусственному отжигу: 100 °C в течение 12 ч, затем 170 °C на различные длительности.

Характеризация

Микротвердость измеряли на микротвердомере. ВРТЭМ-изображения получали на FEI Tecnai F20 для идентификации морфологии осадков и ориентационных соотношений. АПТ-данные собирали на CAMECA LEAP 5000 XR при 50 К с импульсным напряжением 200 кГц. Подготовка игл включала двухстадийный электро-полировку (10% HClO₄ в уксусной кислоте, затем 4% HClO₄ в 2-бутоксиэтаноле). 3D-реконструкции и составной анализ выполнялись в ПО Imago Visualization and Analysis Software (IVAS) v3.8.0, используя изоконцентрационную поверхность 12,0 ат.% (Mg+Zn) для выделения осадков.

Результаты и обсуждение

Двухстадийный график отжига дал четыре различных состояния: недозаренное (UA), первый пик (PAI), второй пик (PAII) и переотожженное (T73). Данные твердости (рис. 1) подтверждают ~15% падение от первого ко второму пику. ВРТЭМ-изображения (рис. 2) раскрывают полностью когерентные ГП-зоны в UA, слегка крупневшие, но все еще когерентные зоны в PAI, эллипсоидальные η′-фазы с решетчатой дисторсией в PAII и полностью некогерентные гексагональные η-фазы в T73.

Трехмерные АПТ-реконструкции (рис. 3) дополняют ТЭМ наблюдения и дают количественные составные профили. ГП-зоны в UA имеют среднюю толщину ~2 нм и содержат ~13,8 ат.% Zn, ~9,4 ат.% Mg, ~75,8 ат.% Al (Zn/Mg ≈ 1,5). В PAI те же осадки расширяются до ~2,5 нм и обогащаются Zn (≈23,6 ат.%) и Mg (≈17,2 ат.%), снижая Al до ~57,5 ат.%. PAII осадки — эллипсоидальные η′-фазы с ~30,3 ат.% Zn, ~25,7 ат.% Mg, ~43,4 ат.% Al (Zn/Mg ≈ 1,2). В T73 равновесная η-фаза (~6 нм толщиной) содержит ~50,2 ат.% Zn, ~30,1 ат.% Mg, ~17,7 ат.% Al (Zn/Mg ≈ 1,7). Четко прослеживается размерно-зависимая тенденция Al: частицы крупнее 5 нм обладают <40 ат.% Al, тогда как частицы менее 3 нм — >50 ат.% Al.

Фракционный анализ (рис. 5) показывает, что ГП-зоны доминируют на первом пике (≈85%), но резко уменьшаются по мере отжига. η′-фазы растут до пиковой доли (~55%) в PAII, затем снижаются в T73, где η-фазы становятся большинством (~63%), в то время как ГП-зоны сохраняют скромные ~20%. Эти тренды подтверждают двухпиковый механизм упрочнения: ГП-зоны для первого пика, η′ для второго, и ослабление твердости в T73 из-за менее эффективной η-фазы.

Заключение

1. В сплаве, отожженном до первого пика, ГП-зоны составляют ~92,5% всех осадков и содержат >50 ат.% Al, обеспечивая максимальную твердость.
2. Второй пик твердости обусловлен смесью η′-фаз (~54,5%) и остаточных ГП-зон (~22,7%). η′-фазы демонстрируют промежуточное Al-содержание и размер между ГП-зонами и η-фазами.
3. η-фазы появляются только после второй стадии отжига, с Al-содержанием <40 ат.% и эквивалентными радиусами >5 нм. В T73 η-фазы занимают ~63% популяции осадков, в то время как их Al-содержание постепенно снижается при дальнейшем отжиге.
4. ГП-зоны сохраняются при переотжиге, потому что атомы Mg и Zn предпочтительно питают более крупные η-фазы, ограничивая рост мелких ГП-зон и позволяя им оставаться Al-богатыми.