摘要
Al-Mg-Si系(6xxx系)合金是典型的时效强化铝合金，具有低密度，良好的耐腐蚀性和可成型性等优点，在汽车轻量化领域得到广泛应用。亚快速凝固工艺的冷却速率高(~102~103K/s)，能够细化组织和提高元素高固溶度，进而缩短均匀化时间，提高效率、降低了能耗。因此，亚快速凝固工艺成为制造汽车车身板用Al-Mg-Si合金的发展方向之一。然而，我们发现亚快速凝固Al-Mg-Si系合金在轧制后的固溶热处理过程中，少数晶粒会过度生长，其晶粒尺寸比基体晶粒高1个数量级，即发生晶粒异常长大(AGG)。晶粒异常长大会降低铝合金板材的力学性能，限制了亚快速凝固工艺的应用。 本文以Al-Mg-Si系合金为研究对象，研究了亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大行为，揭示出亚快速凝固Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大的机制是存在{100}<310>晶粒簇和快速溶解的Mg2Si颗粒，阐明了Mg含量对亚快速凝固Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大行为的影响规律，提出了微合金化提高晶粒热稳定性的方法。本文得出的主要结论如下： (1)研究了冷却速率对Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大行为的影响规律。发现在轧制后的固溶热处理过程中(540℃)，亚快速凝固合金晶粒异常长大孕育期(~5min)与常规凝固合金晶粒相比(~30min)显著缩短，其原因与亚快速凝固合金中存在{100}<310>晶粒簇和细小可溶的Mg2Si颗粒密切相关，一方面，{100}<310>晶粒簇的低迁移率CSL晶界比例比其他取向晶粒低，因此晶粒容易长大。另一方面，高冷却速率产生的细小Mg2Si颗粒在固溶过程中快速溶解使得晶粒长大驱动力-钉扎力的平衡易于被破坏，导致晶粒粗化速度快。 (2)研究了Mg含量(0.20~0.80wt.%)对亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大行为的影响规律。中Mg含量(0.45 wt.%)合金发生明显的晶粒异常长大现象；然而，低Mg含量(0.20 wt.%)和高Mg含量(0.80 wt.%)合金中，晶粒异常长大不明显甚至不发生。揭示出Mg含量的不同导致合金微观组织具有显著差异：0.20Mg合金中纳米粒子数量很少，各取向晶粒都可以长大；0.45Mg合金纳米粒子数量较多，{100}<310>晶粒簇的生长优势使其可以摆脱钉扎优先生长，进而发生晶粒异常长大；0.80Mg合金中{100}<310>晶粒呈现离散分布，生长优势减弱，同时纳米粒子数量最多，提高晶粒热稳定性。 (3)探索了亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大的抑制方法及其作用机制。通过微合金化，即加入少量Mn或Sc(0.05~0.20wt.%)后，形成的高熔点α-Al(MnFe)Si颗粒或Al3Sc颗粒提高了Zener阻力，钉扎晶界，提高了组织热稳定性和合金力学性能。Mn增强热稳定性的效果优于Sc，Mn对晶粒长大的抑制含量为≥0.05wt.%，Sc的有效抑制含量范围为0.1-0.2wt.%。
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