论文部分内容阅读
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金由于其高比强度、高韧、良好抗腐蚀性能等作为飞机结构件、汽车安全装置等零件材料而得到广泛应用。超强铝合金是永恒的研究课题,尤其是800 MPa强度级的超强铝合金,一直是研究学者所追求的目标。本文按照合金成分优化设计→热处理调控(固溶+时效)→变形加工各向异性的思路进行研究。研究了不同Zn/Mg、Cu/Mg对铸态铝合金淬透性与铝合金轧制材组织性能的影响,选取综合性能较优的合金成分(Al-11.2 Zn-3.0 Mg-1.3 Cu-0.2Zr)制备大尺寸超强铝合金挤压材。之后研究了6种固溶工艺和3种时效工艺对大尺寸超强铝合金挤压材组织与性能的影响,最后研究了热压缩-挤压材超强铝合金在最佳热处理工艺下的组织性能与各向异性。本文研究的组织与性能主要包括:晶粒、未溶相、位错、硬度、电导率、淬透性、力学性能及抗腐蚀性能。具体的研究工作和试验结论如下:(1)研究了不同Zn/Mg、Cu/Mg值对Al-x Zn-3.0 Mg-y Cu-0.2 Zr铝合金铸态淬透性与轧制材组织性能的影响,其中Zn/Mg值分别为:3.13、3.73、4.0;Cu/Mg值分别为:1.43、0.77;采用热处理工艺为:固溶(470 ~oC×2 h)+T6(121~oC×24 h)时效。结果表明:对于铸态铝合金而言,增加Zn/Mg和Cu/Mg都会降低合金的淬火敏感性,验证了合金的淬透性与原子半径差总和呈负相关关系,即合金原子半径差总和越大,合金淬透性越差。对于轧制材铝合金而言,增加合金的Zn/Mg值,会促进合金再结晶及晶粒长大。适当增加合金中Zn/Mg值会起到强硬化作用,如Cu/Mg值为0.77时,当Zn/Mg值从3.13升高到3.73时,硬度提高了8.8 HV,强度提高了49.268 MP,但是Zn/Mg值升高到4.00时,硬度和强度反而降低。此外,增加Zn/Mg会降低合金的抗晶间腐蚀性能和抗剥落腐蚀性能。增加Cu/Mg值,会促进合金再结晶及晶粒长大,有利于提高合金韧性和抗晶间腐蚀性能,但是会降低合金的强度、硬度及抗剥落腐蚀性能。(2)研究了大尺寸超强铝合金挤压材(理论设计成分Al-11.2 Zn-3.0 Mg-1.3Cu-0.2 Zr)在6种多步升温强化固溶工艺和T6(121 ~oC×24 h);T76(121 ~oC×5 h+153 ~oC×16 h);T7X(121 ~oC×5 h+133 ~oC×16 h)3种时效工艺下的组织性能。结果表明:随着固溶温度的升高和固溶时间的增加,合金中未溶相不断减少,在G3(450 ~oC×2 h+460 ~oC×2 h+472 ~o C×2 h)固溶工艺以后减少缓慢,而合金的再结晶程度和晶粒尺寸不断增大;硬度在G3固溶工艺下达到最大值,而电导率都呈现降低的趋势。合金在T6、T76、T7X时效处理后的强度值呈现先上升后下降的趋势,都在G3、G4(450 ~oC×2 h+460 ~oC×2 h+470 ~o C×2 h+475 ~oC×2 h)固溶工艺下达到最大值,而延伸率是逐渐降低的。此外,随着固溶温度的升高和固溶时间的增加,合金的抗晶间腐蚀性能提高,抗剥落腐蚀性能先升高后下降,并在G3、G4固溶处理下出现最佳值。因此,本试验中强度最高的热处理工艺为:G3固溶+T7X时效,此时合金的抗拉强度为827.9MPa、断后伸长率为8.1%、晶间腐蚀最大深度为126.9μm、剥落腐蚀为EA级。并对该热处理工艺下合金的淬透性进行了研究,其单端淬透深度仅为35.145 mm。(3)研究了热压缩-挤压-固溶(G3)-时效(T7X)下超强铝合金的组织性能及各向异性。结果表明:铝合金挤压材经过热压缩处理后,金相微观组织存在明显的差异性(Y方向晶粒:等轴状,X和Z方向晶粒:带状),内部位错仅在X方向得到保留,而合金的硬度和电导率之间差异不大。另外,合金的拉伸性能也存在明显的各向异性,Z方向的抗拉强度相对于Y方向提高了约122MPa,而延伸率提高了157%。合金的抗腐蚀性能上也存在各向异性,Z方向的抗晶间腐蚀性能最好,腐蚀深度为167.46μm;而Y方向的抗剥落腐蚀最好,仅发生轻微的起皮现象,剥落腐蚀等级为PC级。本文创造性的验证了合金原子半径差总和与淬透性之间的内在联系,实现了合金成分、微结构(未溶相、金相、位错)、热处理与性能之间的有效调控,并利用常规工艺制备出了800 MPa级超强铝合金材料。