含钪Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金等温淬火性能的研究

摘要

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作为一种高强度的铝合金被广泛应用于航空航天领域。该系列合金具有高的强度、较好的耐蚀性能和优良的韧性。随着飞机结构件向着大型化、整体化发展，对铝合金厚板的生产工艺有着更高的要求。由于铝合金厚板在淬火过程中沿厚度方向冷却速率不一致，导致时效后材料力学性能不均匀，表现出淬火敏感性。如何获得力学性能较高、淬火敏感性低的合金是近年来材料工程和科学领域关注和研究的热点。因此，对Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行淬火敏感性研究具有一定的理论和实际意义。到目前为止，国内外对含钪(Sc)铝合金做了大量的研究。
　　这些研究大部分集中在提高合金的强度、塑性和焊接性能等方面，而关于含钪铝合金淬火敏感性的研究极少。本论文经均匀化-挤压-热轧-中间退火-冷轧处理等工艺，得到含0.2％Sc的Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr合金板材。采用固溶-分级淬火-峰值时效的实验方法，得到合金的淬火态电导率和时效态硬度。利用合金淬火态电导率值和时效态硬度值得到合金的时间-温度-转化率(TTT)曲线和时间-温度-性能(TTP)曲线;利用差示扫描热分析(DSC)、X射线衍射分析(XRD)、透射电镜(TEM)研究合金微观组织结构与成分，并结合Johnson-Mehl-Avrami方程对合金在等温过程中的析出动力学进行研究。研究结果表明:
　　(1)对Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr-0.2Sc合金进行等温淬火实验时，随保温时间的延长，淬火态电导率总体呈上升趋势，淬火单级时效后合金硬度总体呈下降趋势。
　　(2)Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr-0.2Sc合金TTT曲线和TTP曲线呈“C”型，鼻尖温度在330℃附近，孕育期不到4s，淬火敏感性高。运用Origin8.5软件对合金的相变动力学方程进行拟合，验证了合金在330℃脱熔析出最快，相变最容易。
　　(3)Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr-0.2Sc合金的淬火敏感区间为270℃～390℃。在270℃～390℃范围内淬火敏感性较高，析出转变速率较快。合金固溶后，淬火可在(＞390℃)以上采用较小冷却速率，这样不仅可以得到提高合金的力学性能，还可降低材料的内应力。
　　(4)等温保温时，Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr-0.2Sc合金中过饱和固溶体分解析出第二相粒子。随着等温保温时间的延长，晶内平衡相η的数量增加、尺寸变大，消耗了大量的溶质原子，减少了时效后弥散强化相η'的数量，导致强化效果显著降低;晶界平衡相η相粒子粗化，晶内的溶质原子来不及扩散至晶界附近，使得晶界附近溶质浓度降低，晶界无沉淀析出区(PFZ)由不连续分布形貌转变为连续分布形貌，晶界处无沉淀析出区的宽度随着等温时间的延长而变宽。
　　(5)Al3(Sc，Zr)粒子可以作为Al-9.0Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.15Zr-0.2Sc合金淬火过程中的异质形核核心，随着平衡相η(MgZn2)在Al3(Sc，Zr)粒子上非均匀析出，合金过饱和固溶体溶质减少，导致时效过程中强化相数量减少，合金强度降低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理工艺

1．2．1 铸锭均匀化

1．2．2 固溶及淬火

1．2．3 时效

1．3 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金淬火敏感性研究进展

1．3．1 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金淬火敏感性的研究方法

1．3．2 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金淬火敏感性的影响因素

1．4 本论文研究目的、意义与内容

1．4．1 研究目的与意义

1．4．2 研究内容

第二章 材料及实验方法

2．1 工艺流程

2．2 实验方案

2．2．1 合金的制备

2．2．2 样品的制备

2．3 组织结构分析

2．3．1 X射线衍射物相分析(XRD)

2．3．2 差示扫描热分析(DSC)

2．3．3 透射电子显微镜分析(TEM)

2．4 性能分析

2．4．1 硬度测试

2．4．2 电导率测试

2．5 TTT曲线绘制

2．6 TTP曲线绘制

第三章 Al-9．0Zn-2．5Mg-1．5Cu-0．15Zr-0．2Sc合金的TTT曲线

3．1．2 TTT曲线的绘制

3．2 分析与讨论

3．2．1 合金析出相与电导率的关系

3．2．2 等温过程中的形核长大

3．2．3 合金的析出相变动力学分析

3．3 本章小结

第四章 Al-9．0Zn-2．5Mg-1．5Cu-0．15Zr-0．2Sc合金的TTP曲线

4．1．2 TTP曲线的绘制

4．1．3 DSC分析

4．1．4 XRD分析

4．1．5 TEM观察

4．2 分析与讨论

4．2．1 淬火过程中析出相的非均质析出

4．2．2 等温处理对合金组织性能的影响

4．2．3 临界冷却速率

4．2．4 Sc、Zr元素对合金淬火敏感性的影响

4．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录