Al-Zn-Mg-Cu合金熱處理工藝及組織性能研究.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu鋁合金具有比強度高、價格低廉及加工性能良好等優(yōu)點，被廣泛用作航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料。近年來，隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，我國對大型飛機的需求也日益緊迫，這就急需高性能的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金板材。本論文工作依托國防重點攻關(guān)項目《××××鋁合金板材研制》，以航空用Al-Zn-Mg-Cu合金為研究對象，采用熱加工模擬、室溫拉伸、硬度、電導(dǎo)率、疲勞裂紋擴展、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕等實驗方法及金

2、相顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(SEM、TEM)、差熱分析(DSC)、背散射電子衍射(EBSD)和X射線衍射(XRD、Micro-XRD)等檢測手段，系統(tǒng)研究了合金在不同熱加工工藝和熱處理條件下的顯微組織、性能及其變化規(guī)律，并從理論上進行了分析與討論，旨在為制定和優(yōu)化合金熱加工工藝、熱處理工藝以及改善合金性能提供理論依據(jù)。
　　試驗結(jié)果表明，鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn、Mg和Cu等元素偏聚在晶界處，形成了含有η相(MgZn

3、2)、S相(Al2CuMg)和T相(AlZnMgCu)的低熔點共晶組織，該共晶組織的熔點為475.2℃。鑄態(tài)合金經(jīng)過465℃/24h均勻化處理后，低熔點共晶相基本被消除，而Al7Cu2Fe相則很難溶入到基體中。Cr元素在Al-Zn-Mg-Cu合金中形成了Al18Mg3Cr2相(E相)，主要分布在基體中。經(jīng)過均勻化處理后，E相沒有發(fā)生明顯變化。Er元素在Al-Cu-Mg-Er合金凝固過程中主要偏聚在晶界處，形成了Al8Cu4Er三元相。A

4、l8Cu4Er相在均勻化過程中不能被消除，而是在軋制過程中被軋碎，沿晶界呈條帶狀分布。本文發(fā)現(xiàn)在Al-Cu-Mg-Er合金基體中有少量的二次析出的Al3Er相存在。
　　研究了Al-Zn-Mg-Cu合金的熱變形行為，結(jié)果表明變形溫度低于390℃時，合金組織僅發(fā)生動態(tài)回復(fù);變形溫度為420℃時，合金組織已發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。合金適宜的熱加工溫度范圍為330℃～400℃，變形速率為0.1S-1。根據(jù)熱變形結(jié)果，計算出合金的熱變形激活能為

5、192.6KJ/mol，并據(jù)此構(gòu)建了合金的熱變形本構(gòu)方程。確定了合金的最佳T761工藝為125℃/3h+170℃/10h，在此條件下，合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和電導(dǎo)率分別為498MPa、429MPa、12.1％和40.2％IACS。確定了合金的最佳回歸再時效工藝為120℃/25h+190℃/10min+120℃/25h，在此條件下，合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和電導(dǎo)率分別為554MPa、507MPa、16.5％和35.4％I

6、ACS，與T6態(tài)合金性能相當(dāng)。采用上述T761工藝處理的Al-Zn-Mg-Cu合金板材滿足AMS-4085B對合金性能的要求，并已經(jīng)成功應(yīng)用于某大型飛機上。
　　研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力比為0.1、加載頻率為10Hz條件下，RRA態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的疲勞裂紋擴展速率要小于T761態(tài)合金。RRA態(tài)合金晶內(nèi)析出了位錯可切割的GP區(qū)和η'相以及在晶界附近形成了較窄的無析出帶，導(dǎo)致在裂紋擴展的Paris區(qū)形成了大量的二次裂紋使裂紋擴展路

7、徑復(fù)雜，從而提高了疲勞裂紋的擴展抗力。而T761態(tài)合金晶內(nèi)則析出了位錯不可切割的粗大η'相以及在晶界附近形成了較寬的無析出帶，因而在裂紋擴展的Paris區(qū)有沿晶擴展的二次裂紋存在，使疲勞裂紋擴展抗力降低。
　　通過對T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞短裂紋擴展的EBSD分析發(fā)現(xiàn)，短裂紋擴展路徑的偏折是由于相鄰晶粒的取向差較大而造成的。對T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞長裂紋尖端的塑性區(qū)進行了微區(qū)XRD分析，沒有發(fā)現(xiàn)疲

8、勞裂紋尖端處的第二相回溶現(xiàn)象。EBSD觀察發(fā)現(xiàn)，在長裂紋擴展時，裂紋的實際擴展路徑傾向于沿晶界擴展。這表明，在疲勞裂紋尖端處，位于晶界的η平衡相不因位錯的往復(fù)滑移而發(fā)生回溶。
　　闡明了T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞裂紋的擴展方式，并提出了裂紋擴展方式轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)模型。隨著疲勞裂紋長度的增加，T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的裂紋擴展方式由短裂紋的穿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)殚L裂紋的沿晶擴展為主。短裂紋擴展受剪切機制的控制，因此在

9、該階段無析出帶對裂紋擴展的影響可以忽略。而長裂紋擴展是受雙滑移機制控制的，由于晶界處存在較寬的無析出帶，是合金微觀結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，誘導(dǎo)長裂紋沿晶界擴展。
　　研究表明，RRA態(tài)、T761態(tài)和T6態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的剝落腐蝕性能依次降低，剝落腐蝕等級分別為EA-、EA和EB。T6態(tài)合金中連續(xù)分布的晶界η相促進了陽極溶解通道的形成，對剝落腐蝕性能不利。而T761態(tài)和RRA態(tài)合金中斷續(xù)分布的晶界η相則提高了合金的剝落腐蝕性能