合金元素对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性和抗应力腐蚀性能的影响

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Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)系铝合金因其具有比强度高、密度低、易加工等优点而被广泛应用于航天航空领域。随着航天航空工业的快速发展,对航天器及飞机轻量化、安全性提出了更高的要求,促使铝合金结构件向大型化、整体化方向发展,然而大型结构件所用到的厚板铝合金存在淬火敏感性,这导致结构件性能分布不均匀。同时,飞机在服役过程中,应力腐蚀会导致铝合金结构件失效。因此,为了进一步扩大7系铝合金在航天航空工业上的应用,亟需降低其淬火敏感性并提高其抗应力腐蚀性能。本论文以7085铝合金为基础合金,设计5种合金成分,通过末端淬火实验,结合金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征技术以及显微硬度和应力腐蚀等测试方法,研究合金元素对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性和抗应力腐蚀性能的影响,发现:(1)在7085铝合金的基础上,提高Zn含量得到高锌合金。在淬火端,高淬火速率导致合金时效后析出高密度η’强化相,且η’相密度和合金硬度值随Zn含量增加而提高;在淬火末端,淬火速率大幅度降低,因此,大量η相析出且其密度随Zn含量增加而增大,导致合金的淬透层深度降低,所以提高Zn含量会提高合金的淬火敏感性。(2)在7085铝合金的基础上,提高Zn含量、调整Cu含量得到高锌低铜和高锌高铜合金。在淬火末端,低淬火速率导致高锌高铜合金中形成更多的T相(Al Zn Mg Cu),T相会消耗溶质原子、降低η’强化相的析出密度,进而提高合金的淬火敏感性。而提高Zn含量的同时降低Cu含量可以减少T相析出,并降低合金淬火敏感性,其淬透性优于7085铝合金。(3)在7085铝合金的基础上,添加Sc元素得到含钪合金。合金内弥散分布的细小Al3(Sc,Zr)粒子能够有效地钉扎晶界和亚晶界,起到抑制再结晶、促进细化晶粒的作用,因此,含钪合金具有高的细晶强化效应和显微硬度。在淬火末端,低淬火速率导致晶界、亚晶界和Al3(Sc,Zr)粒子为η相提供形核位点,Al3(Sc,Zr)粒子促进Y相(Al Cu Zn)析出且存在明显的无沉淀析出带,导致合金的淬透层深度降低,所以添加0.21 wt%Sc会提高合金的淬火敏感性。(4)将铝合金厚板轧制至4.5 mm,进一步研究合金的抗应力腐蚀性能。发现提高Zn含量会增大晶界沉淀相与基体间的电位差,降低合金的抗应力腐蚀性能;提高Cu含量会减小晶界沉淀相与基体间的电位差,提高合金的抗应力腐蚀性能;而添加0.21 wt%Sc,晶界析出相断续分布可有效切断腐蚀通道,提高合金的抗应力腐蚀性能。
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