Al-Cu-Mg-(Ag)/Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)合金的组织演变及强韧化研究

【摘要】：高强度变形铝合金因具有良好的力学性能在众多领域得到了广泛的应用,特别是具有一定耐热性的高强度铝合金,在航空、航天及大陆深钻领域拥有良好的应用前景。本文在高强度变形铝合金中选择了应用最为广泛、且具有一定代表性的合金(Al-Cu-Mg-(Ag)和Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)合金)作为研究对象。在前人研究的基础之上设计了多种高强度Al-Cu-Mg-Ag系合金,并优化了合金的成分、热处理及变形参数。而在Al-Zn-Mg-Cu系合金中,研究了Ag元素对于7075铝合金时效过程的作用,同时,研究了变形与热处理次序对7075合金组织及性能的影响,优化了合金强化的工艺过程。另外,本文结合脉冲电流处理(EPT)技术,对应用相对成熟的2024(Al-Cu-Mg)和7075(Al-Zn-Mg-Cu)合金在脉冲电流处理后的组织及性能变化进行了研究分析,这一方面扩展了脉冲电流技术的应用领域;另一方面为铝合金的组织及性能改善提供了一个新的途径。为了研究过剩相对Al-Cu-Mg-Ag合金在T6处理前后的组织及性能的影响,本文设计了不同成分的高Cu/Mg的Al-Cu-Mg-Ag合金,研究结果显示:Ag元素的加入改变了Al-Cu-Mg合金中的析出相,加快了合金的时效硬化速率。当Cu含量低于最大固溶度时,挤压态的合金强度随着Cu含量的增加而提高,而且,提高Cu元素和Mg元素含量都具有促进沉淀相析出的作用,但过高含量的Cu、Mg元素会对合金性能(特别是塑性)产生负面影响,因此,合金中的Cu、Mg含量需要被控制在一定范围内。超过最大固溶度的Cu含量会使合金在热处理后保留大量过剩相,这对合金的时效析出及性能都具有不利的影响,然而,适量的过剩相会提高合金性能在高温下的稳定性,基于此结果本实验确定了合金的最佳成分为Al-6.3Cu-4.8Mg-0.4Ag,并对此合金不同挤压比(挤压比分别为17,30,67)的试样进行了组织和性能分析,结果发现挤压比为30的合金具有良好的综合性能,这是由于合金在此挤压比下具有较小的晶粒尺寸和更加细小的弥散析出相,同时说明此合金中挤压比存在着一个临界值,低于此值时,提高挤压比会促进合金的性能提高,但超过此临界值后,过大的变形量会在热处理过程中阻碍元素扩散并加速晶粒粗化,这反而会有损合金力学性能。与Al-Cu-Mg-Ag系合金不同,在7075合金中加入Ag元素不会改变合金中的析出相,但会显著加速合金的时效硬化速率,并且,Ag元素的加入会改善合金中残留相的分布,从而改善了合金的塑性。添加了0.4 wt%Ag元素的7075合金仅在不含Ag元素7075合金的峰值时效50%的时间下就得到了性能更佳的峰值时效合金。而为了研究变形和热处理过程的综合作用,本文采用不同的路径(CR+T6和T6+CR)研究了冷轧(CR)和T6热处理(固溶+人工时效)次序变化对7075铝合金组织及性能的影响。结果显示:在T6热处理前的冷轧变形过程对合金的力学性能影响不大,这是由于T6处理消耗了大量的变形能,削弱了形变强化的效果,而在T6热处理后的冷轧过程可以同时提高合金的抗拉强度和屈服强度,这是位错强化和析出强化共同作用的结果。实验中,T6+40%(T6+CR)的试样显示出最佳的性能,继续增加变形量对强度提高不大,且会严重恶化塑性。此外,本文选用了热轧态2024铝合金作为研究对象,研究了脉冲电流对变形后铝合金组织及性能的影响,结果显示:脉冲电流可以通过快速再结晶显著细化热轧态2024铝合金的组织。经脉冲电流处理后,合金中具有一定方向的粗大晶粒变为了细小的等轴晶组织。这是由于:一方面,脉冲电流促进了原子扩散和再结晶的形核过程;另一方面,脉冲电流的瞬时性及处理后的快速降温过程限制了新晶粒的长大。处理后的细小晶粒及部分第二相的溶入是合金力学性能提高的主要原因。因此,脉冲电流处理技术是一种可以有效改善铝合金组织与性能的方法。此外,增大脉冲电流处理前合金的变形量及循环处理对合金组织影响不大,而精确控制能量输入和加快处理后冷却速度有望达到更佳的处理效果。另一方面,经过优化的脉冲电流循环处理大大加速了固溶后的2024铝合金中T相(Al20Cu2Mn3)的析出,而且,随着电流密度和循环次数的增加,脉冲电流处理后的合金得到了均匀分布的T相,并且在其周围留下了被钉轧的位错,这是合金力学性能和导电性能提高的原因。脉冲电流处理一方面促进了合金中不稳定相溶入基体,另一方面加速了稳定相(T相)的析出。然而,当电流参数超过一定范围后,大量T相会成团簇状分布,因此,合金的力学性能反而下降。而且,过大的电流产生的应力甚至会使试样产生严重的弯曲变形。另一方面,本实验中利用不同参数的脉冲电流循环处理固溶后的7075铝合金,但并未得到性能趋于传统时效的效果。说明脉冲电流处理并未使具有较低析出温度沉淀相大量、快速地析出。在低参数下,脉冲电流会加速合金的自然时效过程,而在较高参数下,合金中发生的仍然是部分第二相的溶入。铸态2024铝合金在经脉冲电流处理后,合金中第二相迅速由棒状变为球状。第二相快速球化是由于脉冲电流降低了第二相的溶入热力学能障,并加速了元素的扩散移动,从而使第二相部分溶于基体,而溶入过程是基于相与电流的两种不同位向时的溶入机制而进行的。此外,第二相的球化机制不仅包括溶入过程,而且还有相的长大过程。因此,通过控制脉冲电流处理后试样的冷却速度可以调节球状第二相的大小和球化效果。利用脉冲电流处理能够在较低温度下使第二相快速溶入基体的作用,可以对7075铝合金进行固溶处理,虽然脉冲电流处理较传统热处理溶入程度略小,但其快速的处理过程限制了晶粒的长大,减小了再结晶晶粒的尺寸,而且,细晶和快速的溶质扩散使得时效过程中析出相尺寸较小,因此合金强度较传统T6处理略有增加。此外,脉冲电流处理会大大减少传统高温固溶处理引起的试样变形和表面氧化问题,这对于改善高强度铝合金热处理工件的表面质量提供了一个新的方法。经脉冲电流处理后的T6态7075铝合金中的析出相也出现了溶入基体的现象,特别是一定参数下脉冲电流使晶界处的第二相发生非连续性的溶入,从而使合金在重时效的过程中在晶界处形成粗大、非连续性的析出相,并且合金重时效后强度并未下降。前人研究指出晶界析出相的这种形态及分布有利于改善合金的抗应力腐蚀(SCC)性能。因此,脉冲电流处理及相应热处理作为一种可以在不损失合金强度的前提下改变合金中局部第二相形态及分布的方法,将为材料的设计及性能的改良提供一种新的途径。