【摘 要】
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亚共晶Al-Si-Cu-Mg合金具有较低的密度、较高的比强度以及良好的耐腐蚀性和抗热裂性等特点,广泛应用于航空航天、汽车制造、高铁、建筑、电缆等领域。随着这些领域高端装备轻量化需求的不断发展,一些零部件对Al-Si-Cu-Mg合金强韧性的要求越发苛刻。然而,常规条件下的凝固组织调控极限让Al-Si-Cu-Mg合金强韧性无法再进一步大幅提升。因此,通过新的工艺手段实现Al-Si-Cu-Mg合金强韧性
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亚共晶Al-Si-Cu-Mg合金具有较低的密度、较高的比强度以及良好的耐腐蚀性和抗热裂性等特点,广泛应用于航空航天、汽车制造、高铁、建筑、电缆等领域。随着这些领域高端装备轻量化需求的不断发展,一些零部件对Al-Si-Cu-Mg合金强韧性的要求越发苛刻。然而,常规条件下的凝固组织调控极限让Al-Si-Cu-Mg合金强韧性无法再进一步大幅提升。因此,通过新的工艺手段实现Al-Si-Cu-Mg合金强韧性大幅协同提升,使其满足高端装备服役性能要求,是轻质结构材料研究领域的核心问题之一。形变热处理工艺在实现铝合金协同强韧化方面蕴含潜力。然而,在Al-Si-Cu-Mg合金在形变热处理过程中面临的以下问题严重制约了形变热处理工艺在该类合金上的应用:（1）热处理阶段第二相溶解和第二相初熔存在矛盾以及共晶Si相球化和共晶Si相粗化存在矛盾;（2）热变形阶段合金容易发生回复和再结晶,并且合金的时效析出相和共晶Si相在高温服役的过程容易粗化,合金组织热稳定性较差。由此,本文从热处理工艺优化和保障合金组织结构热稳定性这两个对形变热处理工艺十分重要的方面考虑,通过Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金双级固溶工艺优化及Zr元素对Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金微观组织和力学性能的影响研究,实现了形变热处理（热处理+热轧）在Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金上的应用,系统研究了Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金形变热处理过程的组织演变与力学性能变化规律,阐明了合金大幅协同强韧化的微观机理。研究结果如下:（1）通过系统研究单级固溶过程不同温度和时间下合金共晶Si相、合金相、孔隙等组织演变及硬度的变化情况,确定了合金最佳的双级固溶制度（495℃/8 h+515℃/4 h）,实现了第二相较充分溶解和共晶硅相的良好改性,并减少了第二相的初熔。基于均匀延伸率（Uniform elongation）,优化了两种铸造铝合金力学性能质量指数（QIU与QIT）。两种优化的指数表明,双级固溶合金的力学性能（QIU=537.1 MPa,QIT=0.47）优于传统495℃/12 h单级固溶合金的力学性能（QIU=504.5 MPa,QIT=0.38）和515℃/16 h单级固溶合金的力学性能（QIU=527.4 MPa,QIT=0.46）。（2）系统研究了Zr元素对Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金微观组织和力学性能的影响。随着Zr元素的增加,Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金强度逐渐提升,塑性逐渐下降。合金强度的提升主要归因于合金晶粒和第二相细化,二次枝晶间距缩短,在热处理后Q’-Al5Cu2Mg8Si6相和θ’-Al2Cu纳米相、D023-（Al,Si）3Zr纳米相的析出,而塑性的下降主要是热处理后残余的脆性初生Al-Si-Zr相的增加。两种优化的质量指数表明,0.3 wt%Zr添加时获得最佳强韧性组合,合金QIU与QIT值分别为549.5 MPa与0.50。相比于未添加Zr的合金,QIU与QIT值分别提升了2.9%和8.7%。（3）基于前面热处理工艺优化和Zr元素实现合金强韧性提升的研究,获取了优化的形变热处理工艺。通过优化的形变热处理,Al-7Si-3Cu-0.5Mg-x Zr合金晶粒进一步细化,共晶Si相进一步细化与球化,铸造孔隙消除,脆性Al-Si-Zr相碎化。Al-7Si-3Cu-0.5Mg-0.3Zr合金形变热处理后呈现出最优的QIU值（573.9MPa）和QIT值（0.76）。相较于传统T6处理（515℃/16 h+175℃/8 h）后的Al-7Si-3Cu-0.5Mg合金,形变热处理Al-7Si-3Cu-0.5Mg-0.3Zr合金的抗拉强度和屈服强度分别提升了8.8%和28.5%,总伸长率和均匀伸长率分别提升了27.3%和21.2%。
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