Nanodeeltjessamenstelling en fractie-evolutie bij twee-fasen veroudering van Al–Zn–Mg legeringen onthuld door APT en HRTEM

Samenvatting

In deze studie gebruikten we atoomprofieltomografie (APT) in combinatie met hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) om de grootte, fractie en chemische samenstelling van neerslagdeeltjes te kwantificeren die zich vormen tijdens een twee-fasen, dubbele-piek verouderingsprotocol voor een Al-Zn-Mg legering. We vonden dat de aluminiuminhoud van nanodeeltjes sterk grootte-afhankelijk is: deeltjes met equivalente stralen onder ~3 nm bevatten >50 at.% Al, terwijl die boven ~5 nm <40 at.% Al bevatten. De transformatie van Guinier-Preston (G.P.) zones naar de evenwichts η-fase verloopt via een η′-intermediair dat meer Mg en Zn incorporeert, ten koste van Al. In de eerste verouderingspiep bestaan G.P. zones uit ~85 % van alle nanodeeltjes, terwijl in de tweede piek η′-fasen domineren (~55 %). Zelfs na uitgebreide over-veroudering (T73) persisteren G.P. zones op ~20 % en vormen η-fasen ~63 % van de neerslagpopulatie, wat hun invloed op de mechanische prestaties benadrukt.

Achtergrond

Al–Zn–Mg (en Al–Zn–Mg–Cu) legeringen vertrouwen op verharding door neerslagvorming om hoge sterkte te bereiken. Klassieke neerslagreeksen voor deze systemen verlopen van een verzadigde vaste oplossing via coherente G.P. zones, semi-coherente η′-intermediairen, naar incoherente evenwichts η (MgZn₂) fasen. Eerder werk identificeerde twee afzonderlijke hardheidspieken in een twee-fasen verouderingsregime, waarbij de eerste piek werd toegeschreven aan G.P. zones en de tweede aan η′-fasen. Conventionele transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) biedt echter alleen tweedimensionaal inzicht, wat de nauwkeurige bepaling van neerslagfracties en -samenstellingen beperkt. Atoomprofieltomografie (APT), met zijn 3-D, sub-nanometer resolutie, biedt precieze elementaire karting en is uniek geschikt om deze lacunes op te lossen. Hoewel eerdere APT-studies variërende Zn/Mg-verhoudingen en Al-inhouden in Al–Zn–Mg-neerslagen rapporteerden, heeft geen enkele de evoluerende fracties van elk neerslagtype over de gehele verouderingsreeks uitgebreid gevolgd. Dit werk overbrugt die kloof door APT en HRTEM te combineren voor een volledig beeld van nanodeeltjesevolutie, wat de optimalisatie van verouderingsschema's voor superieure legeringsprestaties begeleidt.

Methoden

Materiaal

De onderzochte legering (7N01) bevat 4,06 wt.% Zn, 1,30 wt.% Mg, 0,30 wt.% Mn, 0,18 wt.% Cr, 0,13 wt.% Zr, 0,05 wt.% Ti, en de rest Al. Monsters werden geëxtrudeerd, water-spray gequenst, 72 uur natuurlijk verouderd, en vervolgens onderworpen aan een twee-fasen kunstmatige verouderingsreeks: 100 °C gedurende 12 uur gevolgd door 170 °C voor variabele duur.

Karakterisering

Hardheid werd gemeten met een micro-hardheidstester. HRTEM-beeldvorming werd uitgevoerd op een FEI Tecnai F20 om neerslagmorfologie en oriëntatierelaties te identificeren. APT-gegevens werden verzameld op een CAMECA LEAP 5000 XR, werkend bij 50 K met een 200 kHz spanningspulsingsschema. Monsterbereiding omvatte een twee-staps elektro-polijstprotocol (10 % perchloorzuur in azijnzuur, daarna 4 % perchloorzuur in 2-butoxyethanol). 3-D reconstructies en samenstellinganalyses werden uitgevoerd met Imago Visualization and Analysis Software (IVAS) v3.8.0, gebruikmakend van een 12,0 at.% (Mg+Zn) isoconcentratie-oppervlak om neerslagen af te bakenen.

Resultaten en discussie

Het twee-fasen verouderingsschema produceerde vier duidelijke toestanden: onder-verouderd (UA), eerste piek (PAI), tweede piek (PAII) en over-verouderd (T73). Hardheidsgegevens (Fig. 1) bevestigen een ~15 % daling van de eerste naar de tweede piek. HRTEM-afbeeldingen (Fig. 2) onthullen volledig coherente G.P. zones in UA, iets groter maar nog steeds coherente zones in PAI, ellipsoïdale η′-fasen met roostervervorming in PAII, en volledig incoherente hexagonale η-fasen in T73.

Driedimensionale APT-reconstructies (Fig. 3) vullen de TEM-waarnemingen aan en bieden kwantitatieve samenstellingsprofielen. G.P. zones in UA hebben een gemiddelde dikte van ~2 nm en bevatten ~13,8 at.% Zn, ~9,4 at.% Mg en ~75,8 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,5). In PAI breiden dezelfde neerslagen uit tot ~2,5 nm en verrijken in Zn (≈ 23,6 at.%) en Mg (≈ 17,2 at.%), wat Al reduceert tot ~57,5 at.%. PAII-neerslagen zijn ellipsoïdale η′-fasen met ~30,3 at.% Zn, ~25,7 at.% Mg en ~43,4 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,2). In T73 bevat de evenwichts η-fase (~6 nm dik) ~50,2 at.% Zn, ~30,1 at.% Mg en ~17,7 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,7). Een duidelijke grootte-afhankelijke Al-trend ontstaat: deeltjes groter dan 5 nm bezitten <40 at.% Al, terwijl die onder 3 nm >50 at.% Al bevatten.

Fractieanalyse (Fig. 5) toont aan dat G.P. zones domineren in de eerste piek (≈85 %) maar scherp dalen naarmate veroudering voortschrijdt. η′-fasen stijgen tot een piekfractie (~55 %) in PAII voordat ze in T73 afnemen, waar η-fasen de meerderheid vormen (~63 %) terwijl G.P. zones een bescheiden ~20 % behouden. Deze trends bevestigen het dubbele-piek verhardingsmechanisme: G.P. zones voor de eerste piek, η′ voor de tweede, en het zwakker worden van hardheid in T73 door de minder effectieve η-fase.

Conclusies

1. In de eerste piek-verouderde legering vormen G.P. zones ~92,5 % van alle neerslagen en bevatten >50 at.% Al, wat de maximale hardheid oplevert.
2. De tweede hardheidspiek ontstaat uit een mengsel van η′-fasen (~54,5 %) en residuele G.P. zones (~22,7 %). η′-fasen vertonen intermediaire Al-inhoud en grootte tussen G.P. zones en η-fasen.
3. η-fasen ontstaan pas na de tweede verouderingsfase, met Al-inhoud <40 at.% en equivalente stralen >5 nm. In T73 beslaan η-fasen ~63 % van de neerslagpopulatie, terwijl hun Al-inhoud geleidelijk afneemt met verdere veroudering.
4. G.P. zones persisteren tijdens over-veroudering omdat Mg- en Zn-atomen preferent de grotere η-fasen voeden, wat de groei van de kleinere G.P. zones beperkt en hen Al-rijk laat.