D0I:10.13374/i.issnl001t03.2007.03.010 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 放电等离子烧结制备AI一Zn一MgCu纳米 晶合金的组织 陈汉宾)程军胜杨滨2) 张济山)樊建中) 田晓风3) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)中国科学院国际材料物理中心，沈阳110016 3)北京有色金属研究总院，北京100088 摘要利用低温液氮球磨和放电等离子烧结工艺制备了块体纳米晶AZ一MgCu合金·采用X射线衍射(XRD)技术分 析了材料的晶粒尺寸和微观应变，利用透射电镜(TEM)研究了合金微观组织的演变。结果表明：采用放电等离子烧结法制备 的7000系纳米铝合金具有两种不同的纳米晶结构，以晶粒尺寸50~100nm的等轴晶为主，少量200~400nm的大晶粒为辅： 烧结过程中发生再结晶及第二相析出，析出的第二相以(Mgn2)为主，(Al2C)以及S(Al2CuMg)为辅. 关键词铝合金：低温球磨：放电等离子烧结；微观组织 分类号TG135+.1:TG115.22 研究表明，块体纳米金属表现出高强度和超高 1 延展性等力学性能，目前，采用惰性气体凝聚原位 实验过程 加压法山、非晶晶化法、机械合金化结合加压 首先将粒度为200目的A1一10Zn一2.8Mg一 法]、大塑性变形等方法已成功制备了晶粒尺寸 1.8Cu雾化粉末置于自行研制的搅拌式球磨机中进 为10~500nm的块体金属材料，其中机械球磨制备 行球磨，球磨介质为液氮，罐内温度为133K,球磨 纳米晶粉末然后加压成形是目前最常用的制备方法 罐和磨球材料均为不锈钢，球料质量比为25：1，球 之一，Liang和Hu6运用该方法制备了2024铝 磨时间为8h.然后采用3.20-一MK一V型放电等离 合金并进行了研究，低温球磨(cryomilling)是在机 子烧结设备将纳米晶粉末烧结成形.烧结温度为 械球磨过程中引入液氮或液氩作低温介质来制备纳 500℃，压强约为300MPa,加热时间为4min,升温 米晶材料的先进技术，它已成为制备金属纳米晶材 速率为100℃min. 料最有效的技术之一，Lavernia研究小组运用该方 材料的晶体结构采用PHILIPS APD一1OX射 法制备出A一Mg合金，并进行了大量的研究-山. 线衍射仪(XRD)测量分析，辐射源为CuKa,单色器 7000系铝合金强度高、热加工性能好，是航空 为石墨.XRD的衍射峰形经过仪器宽化和K2校正 航天领域重要的结构材料，近年来通过优化合金成 以后，采用单波长法计算材料的平均晶粒尺寸和微 分，采用粉末治金和喷射成形等新工艺以及新的热 观应变，材料的显微组织采用HⅢTACHI H一8O0透 处理工艺，使该系合金的抗拉强度达到 射电镜(TEM)分析，加速电压为100kV, 8O0MPa121.进一步细化该系合金的晶粒尺寸至 2实验结果和讨论 纳米量级，其力学性能和微观组织是一个值得关注 的问题，但国内外还没有运用低温球磨技术制备时 2.1X射线衍射分析 效强化型7000系铝合金的报道，为了避免常规热 7000系铝合金是典型的时效强化型合金，低温 压法制备块体纳米金属材料过程中晶粒的迅速长 球磨过程中形成的过饱和固溶体，在烧结过程中会 大，本文采用低温球磨十放电等离子烧结(spak 析出第二相.图1给出了Al一10Zn一2.8Mg一1.8Cu plasma sintering,简称SPS)技术l]制备块体纳米晶 合金低温球磨态粉末和SPS块体的XRD图谱.从 7000系铝合金，并研究其微观组织演变过程， 图1(a)可以看出：雾化的合金粉末在低温球磨8h 后成为过饱和固溶体，这是因为低温球磨使粉末延 收稿日期：2005-12-31修回日期：2006-03-13 性降低，粉末颗粒界面大尺寸缺陷增加，造成严重的 基金项目：国家“863纳米专项课题(Na-2002AA302502) 晶格畸变使扩散激活能降低，有利于扩散的进行，从 作者简介：陈汉宾(1977一)：男，博士研究生；杨滨(1960一)，男， 教授，博士 而形成过饱和固溶体，这些过饱和固溶体处于不稳放电等离子烧结制备 Al－Zn－Mg－Cu 纳米 晶合金的组织 陈汉宾1） 程军胜1） 杨 滨1‚2） 张济山1） 樊建中3） 田晓风3） 1） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室‚北京100083 2） 中国科学院国际材料物理中心‚沈阳110016 3） 北京有色金属研究总院‚北京100088 摘 要 利用低温液氮球磨和放电等离子烧结工艺制备了块体纳米晶 Al－Zn－Mg－Cu 合金．采用 X 射线衍射（XRD）技术分 析了材料的晶粒尺寸和微观应变‚利用透射电镜（T EM）研究了合金微观组织的演变．结果表明：采用放电等离子烧结法制备 的7000系纳米铝合金具有两种不同的纳米晶结构‚以晶粒尺寸50～100nm 的等轴晶为主‚少量200～400nm 的大晶粒为辅； 烧结过程中发生再结晶及第二相析出‚析出的第二相以η（MgZn2）为主‚θ（Al2Cu）以及 S（Al2CuMg）为辅． 关键词 铝合金；低温球磨；放电等离子烧结；微观组织 分类号 TG135＋∙1；TG115∙22 收稿日期：20051231 修回日期：20060313 基金项目：国家“863”纳米专项课题（No．2002AA302502） 作者简介：陈汉宾（1977－）‚男‚博士研究生；杨 滨（1960－）‚男‚ 教授‚博士 研究表明‚块体纳米金属表现出高强度和超高 延展性等力学性能．目前‚采用惰性气体凝聚原位 加压法［1］、非晶晶化法［2］、机械合金化结合加压 法［3］、大塑性变形［4］等方法已成功制备了晶粒尺寸 为10～500nm 的块体金属材料‚其中机械球磨制备 纳米晶粉末然后加压成形是目前最常用的制备方法 之一．Liang ［5］ 和 Hu ［6］ 运用该方法制备了2024铝 合金并进行了研究．低温球磨（cryomilling）是在机 械球磨过程中引入液氮或液氩作低温介质来制备纳 米晶材料的先进技术‚它已成为制备金属纳米晶材 料最有效的技术之一．Lavernia 研究小组运用该方 法制备出 Al－Mg 合金‚并进行了大量的研究［7－11］． 7000系铝合金强度高、热加工性能好‚是航空 航天领域重要的结构材料．近年来通过优化合金成 分‚采用粉末冶金和喷射成形等新工艺以及新的热 处 理 工 艺‚使 该 系 合 金 的 抗 拉 强 度 达 到 800MPa ［12－14］．进一步细化该系合金的晶粒尺寸至 纳米量级‚其力学性能和微观组织是一个值得关注 的问题‚但国内外还没有运用低温球磨技术制备时 效强化型7000系铝合金的报道．为了避免常规热 压法制备块体纳米金属材料过程中晶粒的迅速长 大‚本文采用低温球磨＋放电等离子烧结（spark plasma sintering‚简称 SPS）技术［15］制备块体纳米晶 7000系铝合金‚并研究其微观组织演变过程． 1 实验过程 首先将粒度为200 目的 Al－10Zn－2∙8Mg－ 1∙8Cu 雾化粉末置于自行研制的搅拌式球磨机中进 行球磨‚球磨介质为液氮‚罐内温度为133K．球磨 罐和磨球材料均为不锈钢‚球料质量比为25∶1‚球 磨时间为8h．然后采用3∙20－MK－V 型放电等离 子烧结设备将纳米晶粉末烧结成形．烧结温度为 500℃‚压强约为300MPa‚加热时间为4min‚升温 速率为100℃·min －1． 材料的晶体结构采用 PHILIPS APD－10X 射 线衍射仪（XRD）测量分析‚辐射源为 Cu Kα‚单色器 为石墨．XRD 的衍射峰形经过仪器宽化和 Kα2校正 以后‚采用单波长法计算材料的平均晶粒尺寸和微 观应变．材料的显微组织采用 HITACHI H－800透 射电镜（TEM）分析‚加速电压为100kV． 2 实验结果和讨论 2∙1 X 射线衍射分析 7000系铝合金是典型的时效强化型合金‚低温 球磨过程中形成的过饱和固溶体‚在烧结过程中会 析出第二相．图1给出了 Al－10Zn－2∙8Mg－1∙8Cu 合金低温球磨态粉末和 SPS 块体的 XRD 图谱．从 图1（a）可以看出：雾化的合金粉末在低温球磨8h 后成为过饱和固溶体．这是因为低温球磨使粉末延 性降低‚粉末颗粒界面大尺寸缺陷增加‚造成严重的 晶格畸变使扩散激活能降低‚有利于扩散的进行‚从 而形成过饱和固溶体．这些过饱和固溶体处于不稳 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．010