Al-Zn-Mg-Cu鋁合金淬火析出行為及淬火敏感性研究.pdf

1、超強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金具有密度低，強(qiáng)度高，韌性、熱加工性和耐腐蝕性能較好等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，為該領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料之一。該系鋁合金屬于時效強(qiáng)化合金，合金性能對固溶后淬火工藝具有較強(qiáng)依賴性。淬火過程中淬火速率的降低將導(dǎo)致過飽和固溶體迅速分解，以非均勻形核的方式析出粗大平衡相粒子，導(dǎo)致材料力學(xué)性能、腐蝕性能以及斷裂韌性的快速下降。尤其厚板制品在淬火過程中，表層冷卻速率快而中心層冷卻速率較慢，使得時效后沿厚向上出現(xiàn)組織

2、、性能的不均勻，嚴(yán)重影響厚板材料的整體性能。同時，隨著航空事業(yè)的發(fā)展，航天用結(jié)構(gòu)件的尺寸需求逐漸增加，對厚板淬透性、性能均勻性的要求也越來越嚴(yán)格，對Al合金生產(chǎn)的加工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
　　 論文通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、電子背散射衍射、差式掃描熱分析以及硬度測試等實驗工具和手段，以1933鋁合金鍛件、7085、7050和7055鋁合金熱軋板為對象，研究了合金成分結(jié)構(gòu)、熱處理工藝參數(shù)對微觀組織演變規(guī)律及淬火敏感性的影

3、響。結(jié)果表明，合金元素組成（成分結(jié)構(gòu)）影響溶質(zhì)原子在外界環(huán)境下（主要是溫度）的體系能量變化、擴(kuò)散速率和能量壁壘，影響相變過程的體系能量變化，影響第二相析出的速率和析出溫度;而熱處理工藝制度主要以調(diào)控合金微觀組織（晶界密度、位錯密度、晶內(nèi)缺陷等）以及回復(fù)和再結(jié)晶行為來影響第二相非均勻形核位置和數(shù)目。論文研究得到了以下結(jié)論:
　　 通過對不同合金元素組成結(jié)構(gòu)的7085鋁合金熱軋板慢速率淬火試樣進(jìn)行微觀組織觀察和時效態(tài)性能對比，揭示了

4、主要合金元素Zn、Mg和Cu含量對該系鋁合金慢速率淬火過程中析出行為的影響規(guī)律。提出了主合金元素Zn、Mg、 Cu含量，以及Zn/Mg比值對合金淬火敏感性的影響機(jī)制，借助DSC測定分析了Zn、Mg元素含量對7085鋁合金η平衡相析出激活能影響，闡釋了η平衡相析出激活能與合金淬火敏感性之間的關(guān)系;結(jié)合7050鋁合金熱軋板慢速率淬火試樣微觀組織分析，明確了Mg元素在7085、7050鋁合金熱軋板固溶后慢速率淬火過程析出的重要作用，并探討了M

5、g元素含量對慢速率淬火過程中η和T相析出的影響規(guī)律。確定了Cu元素含量增加導(dǎo)致該系鋁合金慢速率淬火過程中S'相于亞晶區(qū)域的析出機(jī)制。
　　 通過性能檢測對比和大量微觀組織觀察，研究了7050鋁合金熱軋板在熱處理過程中微觀組織的演變規(guī)律;研究了均勻化制度對7050鋁合金Al3Zr粒子析出分布，以及Al3Zr粒子分布對合金再結(jié)晶行為的影響規(guī)律。分析了熱處理制度對7050鋁合金熱軋板再結(jié)晶行為、回復(fù)行為的影響機(jī)制，明確了平衡相η粒子主

6、要是在高界面能量區(qū)域非均勻形核析出。在此基礎(chǔ)上確立了通過優(yōu)化均勻化制度、軋制變形速率、軋制變形量、固溶制度等具體工藝參數(shù)，協(xié)同調(diào)控合金再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、改善合金亞晶區(qū)域微觀組織形貌的工藝制度。提出了Al3Zr粒子、再結(jié)晶晶粒、原位再結(jié)晶、亞晶晶界、位錯密度對平衡相粒子非均勻形核析出的影響機(jī)制，并結(jié)合微觀組織演變規(guī)律給出改善7050鋁合金熱軋板淬火敏感性的熱處理工藝優(yōu)化方案。
　　 以7050鋁合金TTP曲線的測定為引，分別就時效制度、

7、軋制變形量對7050鋁合金熱軋板等溫保溫過程中的析出行為進(jìn)行了分析探討，對課題涉及幾種合金的TTP曲線進(jìn)行了測定和對比。探明了由于合金成分差異導(dǎo)致合金TTP曲線鼻尖溫度、淬火敏感區(qū)間改變的基本規(guī)律;確定了等溫保溫過程中平衡第二相粒子的析出機(jī)制，建立了第二相粒子析出與轉(zhuǎn)變溫度、時間的關(guān)系模型。研究了時效制度、軋制變形量改變對TTP曲線的影響，分析了軋制變形量對η平衡相析出激活能和淬火敏感性的影響;提出了不僅合金成分對TTP曲線的鼻尖溫度、

8、淬火敏感區(qū)間有影響，同時明確了合金熱處理工藝制度（軋制工藝、時效工藝）對TTP曲線的淬火敏感區(qū)間的重要作用。
　　 表征了1933鋁合金鍛件、7050鋁合金熱軋板等大截面材料在端淬條件下，隨冷卻速率降低而產(chǎn)生的微觀組織形貌分布差異;闡明了兩種合金材料由于合金組成、微觀組織形貌差異，導(dǎo)致離淬火端的距離增加時非均勻形核析出差異的根本原因。研究了7050鋁合金厚板材料沿厚向上的微觀組織差異，闡明不同厚度層合金淬火敏感性差異的影響機(jī)制;