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高强铝合金的微合金化及热处理工艺研究

王少华  
【摘要】:随着航空航天事业的不断发展,对铝合金性能的要求不断提高,对新合金的渴求也越来越强烈。本文针对一种新型Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,应用动态镦粗极限变形方法确定了挤压成型工艺参数,开展了合金的热变形工艺研究,首次制备出该合金的挤压型材。采用金相、X射线衍射、扫描电镜、电子探针、电子背散射衍射、透射电镜分析及力学性能实验等测试分析手段,开展了合金型材的热处理工艺研究。在此基础上研究了Er和Sc微合金化对该合金型材的组织性能影响,并分析了合金锻件在不同时效状态下的组织性能和断裂行为。 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金在350℃以下变形时,由于变形温度较低,在变形过程中发生动态析出行为,合金晶内析出细小沉淀相,对合金的进一步变形不利。当变形温度高于400℃时,合金没有出现动态析出行为。采用动态镦粗试验的方法测定了新型Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的最佳变形温度为400℃-420℃,极限变形量为60%。 研究结果表明:Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材在120℃单级时效过程中的主要析出序列为:SSS→GPI区→η1’(过渡相)→η1(平衡相)。在160℃单级时效过程中存在两种主要的析出序列,分别为:(1)SSS→GP区(GPI+GPII)→η(过渡相)→η(平衡相);(2)SSS→VRC(空位富集团簇)→η’(过渡相)→η(平衡相)。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材较优的单级时效制度为135℃/20h,在此条件下合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和电导率分别为626MPa、593.5MPa、11.8%和36.1%IACS,合金晶内的主要沉淀相为η’相。 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材合理的T74双级时效制度为120℃/4h+165℃/6h。在此条件下合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和电导率分别为566MPa、540MPa、10.9%和40.8%IACS。对比相近尺寸的7050-T7451合金型材,试验合金型材在电导率相当的情况下,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了约6.3%、14.6%和7.4%。合金型材经过双级时效处理后,晶内沉淀相主要为η1’相和η1相,晶界沉淀相断续分布,有较窄的晶界无析出带。随二级时效温度的增加和时效时间的延长,晶界无析出带的宽度没有发生明显的增加。 综合考虑Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材的强韧匹配、抗应力腐蚀性能以及工艺操作等因素,合金型材较优的回归再处理(RRA)工艺为:120℃/24h+180℃/45min+120℃/24h,在此条件下,合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和电导率分别为613.5MPa、599MPa、11.1%和39.2%IACS。与T6态相比,合金在强度相当,伸长率略有下降的情况下,抗应力腐蚀性能明显提高。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材在回归处理开始阶段,大部分的GPI区和部分尺寸细小的η’相迅速回溶到基体,合金的强度和硬度值降低至最小值;随着回归时间的延长,晶内析出了高温稳定性更好的η’相和GPII区,合金的强度和硬度值升高;进一步延长回归处理时间,合金中部分的η’相开始转变为η相,合金的强度和硬度值略有下降。再时效阶段,合金在较低的温度继续析出GPI区和较小尺寸的η’相,合金的强度和硬度值小幅增大。合金晶界析出情况与双级时效处理相似,晶界沉淀相断续分布,伴有较窄的晶界无析出带。 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材成分中添加0.5%Er后,Er主要聚集在晶界形成难溶的共晶相A18Cu4Er相。研究分析了Al8Cu4Er相的形成机制,并测定了Al8Cu4Er相回溶温度为575℃。0.5%Er的添加使得Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材的强度降低,主要是因为合金型材中残留了大量的Al8Cu4Er相,在变形过程中由于位错塞积形成裂纹,降低了合金的强度。但是,晶界处的Al8Cu4Er相减小了晶界和基体的电位差,使得合金的抗腐蚀性能明显提高。 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金型材成分中添加0.2%Sc,可以与合金中原有的Zr生成Al3(Sc,Zr)相,显著细化合金的铸态和挤压态组织,抑制固溶处理过程中的再结晶和晶粒长大,使得合金型材得到更高的强度。另外,在合金型材中还发现了由Al、Cu和Sc三种元素形成的W相。 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金锻件双级时效处理后,晶内和晶界沉淀相粗化严重,晶界出现了明显的无析出带,导致合金锻件在单级和双级时效处理后的拉伸断裂行为不同。经分析T6态合金的断裂方式为剪切和沿晶韧窝混合型断裂;在双级时效过程中,当二级时效温度为160℃时,合金的主要断裂方式为剪切和穿晶韧窝混合断裂;当二级时效温度为170°C时,合金的主要断裂方式为穿晶韧窝断裂。结果表明,Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金锻·件较优的双级时效工艺为120℃/6h+160℃/6h。在此工艺下,合金L向的抗拉强度和屈服强度分别为541MPa和514MPa,延伸率为10.3%,电导率为38%IACS, L-T向的断裂韧性可达43.7MPa·m1/2,剥落腐蚀为EA级。


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