超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响.pdf

第 15 卷第 2 期2024年4月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.15，No.2Apr.2024超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响于含樟，杜依诺，徐磊，郭占成*（北京科技大学钢铁冶炼新技术国家重点实验室，北京 100083）摘要：提出了一种制备梯度Al-Zn-Mg-Cu合金的新方法，通过优化实验的工艺参数，在超重力降温离心的条件下结合定向凝固工艺获得具有梯度的成分含量、显微组织及力学性能。基于合金的析出特性，利用超重力技术和温度梯度区间实现冷却凝固过程中-Al析出相和共晶T相的高效分离，大部分的-Al析出相集中在试样顶部，而共晶组织主要分布在试样底部。不同密度的析出相在超重力的作用下分布于样品的不同位置，使得增大重力系数和扩大温度梯度有利于获得梯度范围更大的材料。结果表明，在超重力的条件下，降温离心可以在短时间内获得梯度铝合金，从而为梯度铝合金材料的制备提供了新的工艺手段和思路。关键词：铝基复合材料；超重力技术；梯度铝合金中图分类号：TF09 文献标志码：AEffects of supergravity on composition and microstructure of gradient Al-Zn-Mg-Cu alloyYU Hanzhang,DU Yinuo,XU Lei,GUO Zhancheng*（State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）Abstract:A new method for the preparation of gradient Al-Zn-Mg-Cu alloy was presented in this paper.The composition content,microstructure and mechanical properties in gradient combined with the directional solidification process were obtained by optimizing the experimental parameters under conditions of hypergravity cooling centrifugation.Based on the precipitation characteristics of the alloy,the efficient separation of-Al precipitated phase and eutectic T phase during cooling and solidification was realized by supergravity technology and temperature gradient range,in which most of the-Al precipitated phrase was concentrated at the top of the sample,while the eutectic microstructure was mainly distributed at the bottom of it.Increasing the gravity coefficient and expanding the temperature gradient was beneficial to obtain materials with a larger gradient range,owing to the precipitated phases with different densities distributed at different positions of the sample under the supergravity.The results showed that the gradient aluminum alloys could be obtained in a short time by supergravity cooling centrifugation,thus providing new process means and ideas for the preparation of the gradient aluminum alloy materials.Keywords:aluminum matrix composites；supergravity technology；gradient aluminum alloy随着工业的发展，为了进一步满足新时代铝合金铸造产品的应用需求，需要合理化铸造工艺技术，因此设计成分合理的比值对合金的性能具有重要意义1-2。为了获得实现样品的快速制备进而对材料性收稿日期：2022-12-28；修回日期：2023-05-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（52174275）通信作者：郭占成（1963），教授，博士生导师，主要从事电冶金、炼铁新技术和二次资源的回收利用。E-mail：文章编号：1674-9669（2024）02-0167-13 DOI：10.13264/ki.ysjskx.2024.02.003引文格式：于含樟，杜依诺，徐磊，等.超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响J.有色金属科学与工程，2024，15(2)：167-179.有色金属科学与工程2024 年 4 月能进行优化，本文提出了一种利用超重力技术制备铝合金梯度材料的简单方法，从而通过梯度材料得到不同的成分组合。作为由成分、组织结构和性能沿特定方向从一侧到另一侧连续变化的两种或多种材料所组成的复合材料，梯度材料的制备是实现高通量制备的手段之一 3-6。为了更加方便地满足实际生产的需要，传统金属材料可以通过特殊的方式制备成分或性能呈梯度变化的梯度材料。目前，梯度材料的制备主要集中在粉末或薄膜材料，其中粉末冶金法制备的梯度材料不仅生产效率低，同时对原材料的形状有一定的要求。梯度功能材料的传统制备方法包括激光熔化沉积法7，采用LMD技术设计的新型TC4梯度结构材料在室温下展现出良好的拉伸强度和拉伸塑性相匹配。然而，这一过程引起的开裂是无法避免。粉末冶金8-9作为制备梯度材料的另一种传统工艺，段永岗等10制备了梯度多孔的Mg-Ca合金，但出现了内部孔隙无法完全消除的弊端，同时由于金属粉末不像熔融金属具有良好的流动性，所以在形状和尺寸上也受到了大大的限制。自蔓延高温合成11反应速度快、产率高，但过程控制困难。由此成本低、操作简单的离心铸造应运而生12，在梯度材料的制备上已经得到发展，以满足实际生产需求。宋高阳等13利用超重力技术达到5052铝合金与非金属夹杂分离进而使5052铝合金纯净化的目的。LI等14在超重 力 条 件 下 燃 烧 合 成 了 具 有 梯 度 的 高 熵 合 金AlxCoCrFeNi，作为一种潜在的高通量制备技术，超重力技术可以显著缩短梯度材料制备过程中的加工周期和降低能耗。近年来，国内外致力于开发具有更高强度、韧性等优点的新一代 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金15-17。Al-Zn-Mg-Cu 作为一种轻质高强的结构材料，具有强度高、热加工性能好、焊接性能优异等优点，其综合性能优异，在航空航天领域的作用和地位是其他材料不可替代的。沈忱等18从化学成分，制备工艺和微观组织分析了影响淬透性的机理，从而通过完善铝合金淬透性试验进而获得高性能7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu）铝合金。LI等19利用超重力技术制备了具有梯度的轻质高熵合金 Al-Li-Mg-Zn-Cu，合金的形貌在超重力方向由块状金属间化合物转变为共晶组织。由于含 Al、Mg、Zn、Cu的轻质多元合金表现出多样性的多相组织，合理选择成分与相组成设计，可能制备出具有特定组织与结构的合金。综上所述，高效制备梯度材料对于减少“试错法”的低效材料研发，加快新材料研发的进程尤为重要，本文提出的超重力技术制备铝合金梯度材料的高效手段，为新材料研发提供了新的思路，通过研究离心后得到的组织含量与成分为后续的成分优化设计提供了基础。1实验部分1.1实验材料本研究所用 Al-Zn-Mg-Cu合金的成分为：Al含量为90.04%，Zn含量为5.43%，Mg含量为2.74%，Cu 含量为 1.79%，Si 含量小于 0.4%，如表 1 所列。产品直径约6 mm，高度约60 mm。采用X射线衍射(XRD)确定了其相组成如图1所示。XRD得到的相为Al6CuMg4相和Al2Mg3Zn3相，两者互相为同晶型，可以形成AlZnMgCu相，三者可以被称为T相。1.2实验设备本文采用电阻丝加热方式的加热炉利用转子实现超重力条件从而制备梯度材料。如图2所示，加热炉和配重对称固定在离心转子上，当离心机开始工作时，离心转子从竖直方向旋转到水平方向。将刚玉坩埚水平放置在一个保温隔热炉腔内。在石墨坩埚中加入等量的样品，装入另一侧的配重罐中，以保表1Al-Zn-Mg-Cu合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of Al-Zn-Mg-Cu alloy单位：%（质量分数）元素含量Al90.04Zn5.43Mg2.74Cu1.79Si0.4010 20 30 40 50 60 70 80 902/（）T相S相MgZn2-Al强度/a.u.图1原始样品Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction patterns of the original Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloy sample168第 15 卷 第 2 期于含樟，等：超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响持离心装置的平衡。温度由可编程温度控制器（PTC）控制，热电偶紧贴石墨坩埚外壁放置。包裹在坩埚外壁的电阻丝利用热电偶获得的电能转化为热能作为热源加热炉内金属。通过带有导电滑环的离心轴实现电流输入和微弱电输出作为样品提供热量的测温手段。为了计算增强后的重力场数值，采用了加速度值的概念，加速度值为x g，加速度值系数x的表达式定义为离心加速度与法向重力加速度的比值（见式（1）。G=g+()2r2g=g+()N22r9002g（1）式（1）中：N 为离心机转速的数值，单位 r/min；为角速度的数值，单位 rad/s；r 为离心轴线到样品的距离；g 为法向重力加速度，单位 9.8 m/s2。1.3实验过程在超重力降温离心实验过程中，为了避免较大的横向尺寸带来的误差，采用内径为6 mm，高度为60 mm 的石墨坩埚盛放铝合金试样。在离心过程中，使用电阻丝加热方式将炉罐加热到目标温度650 并保温30 min，以确保样品达到熔融状态。当试样处于熔融状态时，打开离心机，以1 338、1 638、1 892、2 317 r/min的角速度运行（上述加速度值分别对应加速度500 g、750 g、1 000 g、1 500 g）。本实验以研究超重力对Al-Zn-Mg-Cu系合金产生的梯度影响为目的，在现有条件下，尽量减小冷却速率的影响，即控制每组试验以相同的冷却速率5/min冷却至450，离心40 min。到达目标温度450 后，停止离心，将坩埚从离心机中取出，在空气中冷却。在常重力场中以同样的方法获得参考样品。1.4表 征利用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES,Ptima 7000DV，美国珀金埃尔默公司）对参考样品和超重力下降温离心实验后得到的样品进行化学成分分析。将样品溶解在体积比为 3 1 的盐酸和硝酸的混合液中。溶液过滤后，将稀释液做进一步分析。采用能量色散X射线光谱仪（扫描电镜/能谱法，SUPRA55,德国ZEISS公司）对原始Al-Zn-Mg-Cu合金和离心样品进行了相分析，通过 X 射线衍射（XRD）确定了其相组成。采用扫描电子显微镜（LEO-80，加速电压为20 kV）对原始Al-Zn-Mg-Cu合金和离心样品进行了相和结构分析，对样品的微观组织形貌以及化学成分进行表征。由于材料硬度较低，采用100 kg载荷、1.587 5 mm直径的淬硬钢球，通过全洛氏硬度计（TH320，分辨率0.1 HR）计算宏观硬度。在载荷作用下，将四面体金刚石136角锥压入被测试样的基体、共晶和晶间区域并保持一定时间。采用显微硬度计（VMHT30M，德国）测试显微组织硬度。2结果与讨论2.1超重力下Al-Zn-Mg-Cu梯度合金的制备2.1.1超重力下的梯度成分和组织图 3（a）所示为 Al-Zn-Mg-Cu合金在 G=1 000，T=100 （T为温度区间存在的温差，试样顶部为低温区，底部为高温区,温度区间方向为沿超重力方向逐渐降低），=5/min条件下凝固离心后的宏观图像。样品总长约6 cm，直径约6 mm。为了进一步研究合金是否具有梯度，从样品顶部沿超重力方向每隔 0.5 cm 取点作为后面分析的位置如图 3（b）所891067432151.温度控制器；2.配重；3.旋转轴；4.导电滑环；5.转子；6.热电偶；7.耐火材料；8.电阻丝；9.石墨坩埚；10.Al-Mg-Cu-Zn金属样品。图2实验装置示意（俯视图）Fig.2 Schematic of the experimental apparatus（top view）169有色金属科学与工程2024 年 4 月示。分为12个部分后，选取距顶部0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 cm共12个代表性位置，比较上述位置的实验结果。将图3中的代表性位置进行ICP-OES分析得到上述12个代表性位置的Al、Zn、Mg和Cu的成分含量，如表 2 所列。图 4（a）图 4（d）为重力系数为G=1 000，温度区间为T=100，冷却速率为=5/min 的实验条件，与常重力条件下得到的样品相比，当凝固过程发生在超重力场中时，Al含量沿超重力方向按照梯度逐渐降低，顶部Al质量分数高达 96.18%，底部含量降低至 84.24%。样品中 Zn、Mg、Cu 与上述实验结果相似，元素含量呈梯度变化，Zn的质量分数沿超重力方向逐渐增加，从样品顶部的 2.43%增加到样品底部的 7.93%。Mg 的质量分数从顶部的 0.97%逐渐增加到底部的 3.82%，Cu 的质量分数从顶部的 0.42%逐渐增加到底部的4.01%。将超重力条件下获得的合金采用扫描电子显微镜进行微观组织分析，实验后样品的显微图像如图5所示。可以清楚地看到离心结束后合金中 Al、Al-Zn-Mg-Cu 和 Mg2Si 3 种相的分布和尺寸发生了变化。在较大的离心力作用下，初生-Al相在试样顶部出现富集。图5中显示对比度较深的大面积区域为Al基体，只有极少量的共晶组织以小颗粒的形式随机穿插于基体中，这表明Al含量在样品顶部显著增加，如图 5（a）和图 5（b）所示。随着-Al 相的析出，液相中Zn、Mg、Cu的比例增加，出现过饱和析出现象，共晶Al-Zn-Mg-Cu以白色椭圆形析出，相对独立地弥散分布在基体中，如图5（c）所示。固液两相0 1 2 3 4 5 6（a）（b）G与顶部距离/cm图3样品宏观图：（a）超重力后样品的宏观照片；（b）采样位置示意Fig.3 Macroscopic photographs of the sample：（a）macroscopic photographs of sample after supergravity；（b）schematic of sampling locations表2图3（b）中标记点的元素含量Table 2 Element content at points marked in Fig.3（b）与顶部的距离/cm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0成分含量%Al96.1895.5394.9894.5294.0293.2192.4691.5790.0388.4586.0584.24Zn2.432.762.933.183.483.994.344.845.586.136.987.93Mg0.971.121.291.451.551.721.942.162.522.913.233.82Cu0.420.590.80.850.951.081.261.431.872.513.144.01170第 15 卷 第 2 期于含樟，等：超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响由于密度差的存在，-Al相在超重力的作用下，沿着超重力的方向向样品顶端运动，液相中Al含量的减少，共晶组织的含量逐渐增加，椭圆形枝晶相互连接形成更加细长的枝晶共晶组织，如图5（d）和图5（i）所示。合金中Mg元素过剩，Mg2Si相在铝基体中溶解度显著减少，因为形成的黑色Mg-Si相密度较高，所以该相沿着共晶组织的晶界析出并在试样的中下部出现。当凝固行为进行到试样底部时，此时析出相沿超重力方向在固液交界处聚集，组织形貌由连结的枝晶状转变为相互连通的片状分布，如图5（j）和图5（k）所示。当晶体的形貌由图5（l）所示的片层状完全取代时，相组织中的初生-Al析出相的含量沿轴向从试样顶部到底部逐渐减小，并在底部达到最小值。当降温离心继续进行时，初生的-Al析出相在溶质原子浓度和温度梯度的驱动下有方向性地不断长大，导致液固前沿溶质原子浓度增加，相区不断缩小，Zn、Mg、Cu在溶液中的含量不断增加，Zn、Mg、Cu在铝基体中的固溶度减小，+T相区不断扩大。具有较高溶质原子浓度的液相聚集在-Al相晶粒之间并相互作用，从而在试样底部形成大量低熔点四方共晶T相（Al-Zn-Mg-Cu四元共晶组织）。基于以上实验现象可知，凝固过程中离心力会析出的固相颗粒的运动方向，使得固液两相因密度差自上而下呈梯度分布。因此，超重力和温度梯度的结合可以更好地实现组织的成分含量和微观组织形貌呈梯度分布。2.1.2合金硬度梯度变化以 G=1 000，T=100，=5/min 为实验条件得到的试样，按照图3（b）中的选定位置测试得到的洛氏硬度值如图6所示。在试样顶部洛氏硬度的数值最小，仅为 21.2 HRB，其硬度值沿着超重力方向逐渐增大，在试样底部洛氏硬度值达到最大值，为 85.3 HRB。由于合金的宏观力学性能由微观组织决定，因此选取基体中存在的 3种相组织进行维氏显微硬度分析，在不破坏试样微小区域的0 1 2 3 4 5 6与顶部的距离/cm100989694929088868482Al质量分数/%（a）0 1 2 3 4 5 6与顶部的距离/cm108642Zn质量分数/%（b）0 1 2 3 4 5 6与顶部的距离/cm54321Mg质量分数/%（c）0 1 2 3 4 5 6与顶部的距离/cmCu质量分数/%（d）54321图4G=1 000，T=100，=5/min条件下样品中各元素质量分数变化趋势：（a）Al；（b）Zn；（c）Mg；（d）CuFig.4 Trend of the mass fraction of each element in the sample at G=1 000,T=100,=5/min：（a）Al；（b）Zn；（c）Mg；（d）Cu171有色金属科学与工程2024 年 4 月情况下获得显微硬度值，图 7 中标记的红色区域表示测试过程中的交叉压痕。点1为-Al相，硬度值为82.7 HV，点2为Al-Zn-Mg-Cu四元共晶组织，硬度值为190.37 HV，点3为Mg2Si组织，显微硬度值为487.14 HV。上述数值表明，共晶组织的硬度远高于富铝基体的硬度，且随着共晶组织的聚集，试样的宏（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）（k）（l）100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 mAl+1Al-Zn-Mg-CuAl-Zn-Mg-CuAl+2Al-Zn-Mg-CuMg-Si-AlAl+3Al-Zn-Mg-CuMg-Si-AlAl图5样品中距离顶部不同距离的各个位置的显微图像：（a）0.5 cm；（b）1.0 cm；（c）1.5 cm；（d）2.0 cm；（e）2.5 cm；（f）3.0 cm；（g）3.5 cm；（h）4.0 cm；（i）4.5 cm；（j）5.0 cm；（k）5.5 cm；（l）6.0 cmFig.5 microscopic images of uarious position in the sample at different distances from the top:（a）0.5 cm；（b）1.0 cm；（c）1.5 cm；（d）2.0 cm；（e）2.5 cm；（f）3.0 cm；（g）3.5 cm；（h）4.0 cm；（i）4.5 cm；（j）5.0 cm；（k）5.5 cm；（l）6.0 cm172第 15 卷 第 2 期于含樟，等：超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响观硬度出现大幅度的提高。在离心力的作用下，在试样中共晶组织呈梯度分布，成分含量的梯度导致组织形貌出现梯度（见图 5），导致试样硬度呈梯度变化。样品中硬度值的异常波动是由于晶界间析出了高硬度的Mg2Si金属间化合物，如图7（c）所示，其中Mg-Si-Al相的硬度高达487.14 HV。维氏显微硬度分析结果验证了洛氏硬度的变化趋势与组织分布相吻合，从性能上证实了超重力可以实现梯度材料的制备。2.2工艺参数对梯度的影响2.2.1重力系数的影响为了进一步确定超重力在梯度形成过程中元素分布中的作用，研究了重力系数从1到1 500范围内合金中成分含量和微观组织的变化。表3和图8给出了不同重力系数T=100，=5/min时合金梯度形成的效果。如图9所示，在不同的重力系数下，除了成分含量的成梯度变化，组织的大小也表现出明显的梯度变化。结果表明，G 对熔融液相凝固过程中析出相的再分布起到了关键性作用。如图 9（a）图9（c）所示，正常重力下合金熔体中四元共晶组织在铝基体中均匀分布，其中试样顶部Al含量为90.21%，试样底部Al含量为90.07%，整个试样Al含量在90%上下波动，成分含量和微观组织均未出现梯度分布。然而，当合金凝固过程中有超重力介入时，基体中的相便会出现梯度分布的现象，微观组织不再均匀分布，但是重力系数较小时，离心力不足以完全克服熔融液相与固体颗粒之间的流动阻力，得到的梯度现象并不明显，铝基体顶部仅仅是以颗粒状共晶组织分布。随着重力系数的增大，-Al固相颗粒在熔融液相中的迁移能力逐渐增强，因此重力系数越大，-Al相的聚集效果越好。在试样上部的SEM图像中，以小颗粒形式穿插于铝基体中的共晶组织逐渐减少，这也可以证明试样上部的铝含量随着重力系数的增加而增加。共晶组织形貌沿着超重力方向呈现梯度变化的现象也表明超重力对梯度的产生起着至关重要的作用。当重力系数为500时，合金中的Al含量从顶部的92.81%逐渐降低到底部的88.58%，共晶组织在离心力的作用下以分散的枝晶组织形貌呈现向试样底部集中的趋势，如图9（d）图9（e）所示。当重力系数为750时，试样顶部铝的质量分数为93.79%，底部铝的质量分数为87.24%，对比重力系数较小的500，G=750时得到的梯度区间范围更大；当重力系数达到1 000时，元素的变化范围分别为试样顶部的Al含量为96.18%，试样底部的Al含量为84.24%。当重力系数在5001 000时，重力系数的增大，使得晶粒明显细化，共晶组织含量增多，试样顶部共晶组织中0 1 2 3 4 5 6硬度Al质量分数 与顶部的距离/cm92908886848280787674 Al质量分数/%100908070605040302010 HRB硬度图6离心试样洛氏硬度的变化趋势以及硬度值对应的铝含量Fig.6 Trend of the Rockwell hardness of the centrifuged sample and the relevant aluminum content（c）（b）（a）40 m40 m40 m+1+2+3图7组织维氏显微硬度：（a）-Al相；（b）Al-Zn-Mg-Cu共晶组织；（c）Mg2Si相Fig.7Vickers microhardness of microstructure：（a）-Al；（b）Al-Zn-Mg-Cu；（c）Mg2Si173有色金属科学与工程2024 年 4 月穿插的小颗粒状晶粒现象越来越少，以 Al 基体为主相，试样底部析出的四元共晶组织形貌逐渐由树枝状网状结构转变为层片状组织，这一趋势表明超重力技术可以制备 Al-Zn-Mg-Cu 梯度材料，且重力系数越大，获得的梯度范围越大。如图9（g）图9（l）所示。当G超过1 000时，各元素的变化范围虽然仍在扩大，但变化的范围极小。由表3和图9（m）图 9（o）可知，当 G=1 500 时，合金中Al 含 量 由 顶 部 的 96.58%逐 渐 降 低 至 底 部 的84.07%，共晶组织的形貌和含量与 G=1 000 时无明显差异。从图 9（l）和图 8（l）中的组织形貌以及成分含量可以得知，当重力系数达到一定值后继续增大对梯度的产生影响较小。在重力系数极大的情况下，析出的-Al相会出现明显富集，破坏梯度的连续性。2.2.2温度梯度区间的影响VASCONCELOS等20采用定向凝固的思路制备铝合金，在凝固过程中建立特定方向的温度梯度，使熔融的合金在凝固过程中晶体的生长是定向的，基于上述研究认为需要建立与超重力相同方向的温度梯度，以利于铸件的凝固具有方向性。图10所示为G=1 000，=5/min条件下，不同温度梯度（T=0，T=50，T=100）凝固离心后铝合金沿超重力方向成分含量的变化趋势。随着温度梯度区间范围的扩大，得到的成分梯度增大。由表4数据可知，T=0时，Al含量沿超重力方向由93.17%降低至89.93%；当T=50 时，Al含量的梯度范围增大，从94.53%减小到88.7%；在T=100 时，样品的Al含 量 从 样 品 顶 端 的 95.53%降 低 到 样 品 底 端 的84.24%。这表明当方向与超重力方向相同时，温度表3 T=100 和=5/min时，不同G条件下铝合金的成分Table 3 Composition of the aluminum alloy at different G（T=100 and =5/min）单位：%（质量分数）位置顶部中部底部重力系数G15007501 0001 50015007501 0001 50015007501 0001 500成分含量/%Al90.2192.8193.7996.1896.5890.0492.2392.0291.5491.1790.0788.5887.2484.2484.07Zn5.344.673.942.432.075.434.614.594.814.965.496.036.967.938.04Mg2.671.641.370.970.912.741.942.052.372.432.583.153.373.823.97Cu1.780.880.970.420.441.791.221.341.281.441.862.242.434.013.92174第 15 卷 第 2 期于含樟，等：超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响梯度获得了特定取向的晶体，起到了增强成分梯度的作用。由于7xxx系铝合金的固液两相区温度差在50150 左右，选择100 的温度梯度区间的实验条件，可以使得样品既能保证试样在完全熔融的状态下进行降温离心，又可以保证底端（高温端）在离心结束后可以到达固相线温度，所以选择 T=100 作为实验条件进行分析。2.3讨论与传统金属相比，多元合金具有更高的构型熵。根据最大熵产生原理（MEPP），构型熵越高，吉布斯自由能越小，在熵力的作用下合金体系越趋向于21-22获得均匀成分。采用 Jmatpro 计算 Al-Zn-Mg-Cu 合金凝固过程中各析出相的理论密度，如图11所示，在熔融液相凝固初期，只有-Al相析出，其他析出相是在熔液凝固发生偏析，超重力条件下-Al相和熔液由于比重存在差异而发生相分离，在超重力作用和元素密度起主导作用的过程中，元素沿超重力方向的重新分布和相分离行为更加突出，较重的元素聚集在底部。由于传质和相分离是火法冶金过程的限制环节，而超重力技术可以极大地强化传质，因此材料梯度的形成依赖于超重力技术优秀的传质能力，其示意图如图12所示。当凝固温度低于650 时，-Al析出相密度始终小于液相密度，因此析出相在超重力的作用下，沿超重力方向向上发生如图 12（b）所示的运动，在凝固完成后样品顶端聚集了大部分初生-Al析出相（图5（a）图5（b）。随着温度的降低，Al的析出继续进行，图12（c）显示液态金属中由于溶质原子过饱和而开始析出的大密度四元共晶组织Al-Zn-Mg-Cu在超重力的作用下开始上浮。在超重力场中元素的密度差被放大，因此相分离的效率在超重力的作用下大大提高，使得密度更大的共晶组织运动方向与析出相-Al相反，沿超重力方向向下移动（图5（l）。由图12（e）图12（f）可知，析出固体颗粒运动方向上的合力主要包括浮力、重力和阻力。当凝固过程在超重力场中发生时，重力加速度大大增加，导致固体颗粒受到的阻力可以忽略不计。在浮力和重力的共同作用下，固体颗粒获得足够大的驱动使其可以在熔体中发生运动。由颗粒所受合力（见式（2）的方程可以推断出驱动颗粒的作用力主要受固液两相密度差的影响。这种行为是进行实验的理论基础。F=(L-S)gV（2）同时，基于制备梯度合金23-24的定向凝固理论，本研究在超重力的基础上对试样凝固过程提供一个温度梯度区间，使得固相颗粒的析出具有方向性。不存在温度梯度的情况下，对流在试样凝固过程中一直在发生，成分梯度的形成因此会受到影响。当温度梯度区间提供的方向垂直于凝固过程，溶质运动的方向1 5001 00075050018284868890929496123456重力系数距离顶部的距离/cm Al质量分数/%图8在不同超重力系数下Al质量分数梯度变化Fig.8 Gradient change in mass fraction of Al at different supergravity coefficients175有色金属科学与工程2024 年 4 月与超重力的方向重合时，此时颗粒进入枝晶区域，对流的影响最小25。综上所述，在凝固过程中加入纵向温度梯度消除了试样中横向对流的影响，大大提高了在超重力场中获得的成分梯度的效果。作为一种简单快速的分离液相和固相的方法，超重力分离技术克服熔融液相和固相颗粒之间的流动阻力，可以通过传质从而快速的改变基体中成分含量的比例，进而改变微观组织的分布。基于共晶组织具有更好的流动性，根据元素的性质，利用超重力技术促进了析出相在熔融液体中的运动，从而促进了梯度结构的形成26，有助于多组分合金的高通量筛选，实现了非线性梯度合金的制备。1 2 3 4 5 6与顶部的距离/cm96949290888684 铝的质量分数/%T=0 T=100 T=50 图10不同温度梯度区间下铝的质量分数的变化趋势Fig.10 Trend of aluminum mass fraction at different temperature gradient ranges顶部中部底部（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）（k）（l）100 m超重力方向G=1100 m100 m100 mG=500100 m100 m100 mG=750100 m100 m100 mG=1 000100 m100 m100 mG=1 500100 m100 m（m）（n）（o）图9不同重力系数下样品顶部、中部、底部的组织SEM图Fig.9 SEM images of upper,middle,and lower structures of the sample at different gravity coefficients176第 15 卷 第 2 期于含樟，等：超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响3结 论本研究采用超重力法制备了梯度Al-Zn-Mg-Cu铝合金。研究的主要结果如下：1）采用超重力法成功制备了梯度含量的Al-Zn-Mg-Cu铝合金。在凝固过程中施加超重力场时，低密度的-Al向上移动，而高密度的共晶组织向下移动，导致合金呈梯度分布。2）增大重力系数有助于获得更大范围的梯度，但其形成梯度的能力有限。在重力场中提供温度梯度对梯度的形成有促进作用。在最优条件（G=1 000,T=100,=5/min）下，从上到下 Al 含量从96.1%降低到84.24%。表4G=1 000和=5/min条件下不同温度梯度区间合金中各元素含量Table 4 Element content of the aluminum alloy at different T（G=1 000 and =5 C/min）温度梯度区间T/050100元素AlZnMgCuAlZnMgCuAlZnMgCu与顶部的距离处的元素含量/%1 cm93.174.251.630.9594.533.261.590.7295.532.761.120.592 cm92.634.471.891.0193.973.611.810.9994.523.181.450.853 cm92.094.712.011.1992.284.252.321.1593.213.991.721.084 cm91.365.032.271.3491.404.922.291.3991.574.842.161.435 cm90.475.342.531.6690.215.102.781.9188.456.132.912.516 cm89.935.742.912.0688.706.123.002.1884.247.933.824.010 100 200 300 400 500 600 700 800温度/4.24.03.83.63.43.23.02.82.62.4 密度/（kg/m3）LiquidT-AlCuMgZnS-Al2CuMgMgZn2TotalAl图11凝固过程中各相密度随温度的变化趋势Fig.11 Trend of density variation of each phase with temperature during solidification177有色金属科学与工程2024 年 4 月3）在超重力下获得了梯度分布的组织，合金的力学性能呈现梯度，硬度值以梯度的形式从21.2 HRB增加到85.3 HRB。参考文献：1 QIAN T T,LIU D,TIAN X J,et al.Microstructure of TA2/TA15 graded structural material by laser additive manufacturing processJ.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24(9):2729-2736.2 NING Y Q,YAO Z K,GUO H Z,et al.Structural-gradient-materials produced by gradient temperature heat treatment for dual-property turbine discJ.Journal of Alloys and Compounds,2013,557:27-33.3 SONG C J,X