固溶态大变形调控7000系铝合金的性能及其机理的初步研究

摘要

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是现代航空航天和国防军事等领域不可或缺的支柱材料。强度更高、综合性能更加平衡优化的铝合金的制备技术是一个备受关注的研究课题。本文以7085铝合金(Al-7.48Zn-1.51Mg-1.42Cu-0.15Zr)和高合金化Al-Zn-Mg-Cu铝合金(Al-12.26Zn-2.96Mg-2.49Cu-0.183Zr-0.067Sr)为实验主体，通过与常规固溶—时效工艺进行对比，研究了固溶(450℃×1 h+460℃×1 h+470℃×1h)—大变形（压缩、等通道转角挤压）—时效工艺下7000系铝合金的力学性能、抗腐蚀性能以及强化机理。具体研究工作和得到的结论如下:
　　(1)研究了固溶—大变形—时效工艺下7085铝合金的组织与性能。结果表明，相比常规固溶—时效工艺，固溶—大变形—时效工艺能够显著细化晶粒，增加小角度晶界数量，促使第二相均匀分布，从而提高7085铝合金的屈服强度和抗腐蚀性能，并且等通道转角挤压(ECAP)的强化效果高于压缩变形加工的效果。100℃时效下合金的屈服强度和抗腐蚀性能排序为:ECAP（屈服强度543.3 MPa，晶间腐蚀二级，剥落腐蚀PC）＞压缩变形（475.6 MPa，三级，EA）＞未经大变形（381.2 MPa，四级，EB+）;大变形加工后120℃时效下的合金处于轻微过时效状态，相比100℃时效，此时合金的力学性能有所下降，但抗腐蚀性能提高。
　　(2)研究了固溶—大变形—时效工艺下高合金化铝合金的组织与性能。结果表明，固溶—时效状态下高合金化铝合金的屈服强度分别达到582.0 MPa(100℃时效)和576.3 MPa（120℃时效）;固溶—大变形—时效(100℃)处理能显著提高合金的屈服强度(638.3 MPa)，但在时效温度为120℃时，合金的力学性能大幅降低。固溶—时效和固溶—大变形—时效(100℃)状态下高合金化铝合金的晶间腐蚀都具有明显的方向性（与挤压方向一致），但后者优于前者，而固溶—大变形—时效(120℃)状态下的合金晶间腐蚀形貌以点蚀为主。
　　(3)初步探索了大变形加工后7085铝合金和高合金化铝合金的时效工艺。结果表明，相比传统固溶—时效工艺，大变形加工使得合金内部积累了大量位错，合金的时效动力学提高，时效强化峰提前，并且所需的时效温度较低，尤其对于高合金化铝合金，较高的时效温度(120℃)导致合金的力学性能大幅降低。另一方面，随着时效时间的延长，合金的电导率都呈上升趋势。
　　(4)采用X射线衍射仪(XRD)与晶体微区取向分析技术(EBSD)对不同状态下7085铝合金和高合金化铝合金内部的位错密度、小角度晶界和大角度晶界进行表征，并通过建立数学模型定量分析铝合金的强化组成。结果表明，大变形后两种合金的微观结构参量较为接近，都以小角度晶界为主（超过80％），平均晶粒尺寸小于2μm，并且ECAP加工在细化晶粒和提高组织均匀性方面优于压缩变形。相比固溶—时效态，固溶—大变形—时效状态下合金屈服强度的提高主要依靠位错强化和小角度晶界强化，固溶强化和第二相强化则有所下降，此外，相同状态下高合金化铝合金屈服强度高于7085铝合金屈服强度的部分主要归因于固溶强化和第二相强化的增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究背景

1．2 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的研究现状

1．2．1 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的发展

1．2．2 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的时效强化

1．2．3 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的微合金化

1．2．4 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的塑性变形加工

1．3 等通道转角挤压法(ECAP)

1．3．1 ECAP的基本原理

1．3．2 ECAP工艺参数

1．4 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的腐蚀类型

1．4．1 点蚀

1．4．2 晶间腐蚀

1．4．3 剥落腐蚀

1．5 铝合金的强化机理

1．5．1 强度计算模拟

1．5．2 微观结构的表征

1．6 研究目的和内容

第二章 合金制备及组织性能测试方法

2．1 合金成分及制备

2．1．1 合金的熔铸

2．1．2 锻压加工

2．1．3 挤压加工

2．1．4 合金成分

2．2 试验方案

2．3 ECAP模具

2．4 压力加工设备

2．5 固溶处理

2．6 时效处理

2．7 组织结构分析

2．7．1 金相观察

2．7．2 SEM分析

2．7．3 XRD分析

2．7．4 EBSD分析

2．8 性能测试

2．8．1 显微硬度

2．8．2 电导率

2．8．3 拉伸性能

2．8．4 抗腐蚀性能

2．9 本章小结

第三章 固溶态大变形7085铝合金的组织与性能

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 微观组织

3．3．1 金相组织和EBSD分析

3．3．2 晶粒晶界特征分布

3．3．3 SEM分析

3．3．4 XRD分析

3．4 力学性能和电导率

3．4．1 显微硬度和电导率

3．4．2 拉伸性能和断口特征

3．5 抗腐蚀性能

3．5．1 晶间腐蚀

3．5．2 剥落腐蚀

3．6 讨论

3．7 本章小结

第四章 固溶态大变形高合金化铝合金的组织与性能

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 微观组织

4．3．1 金相组织和EBSD分析

4．3．2 昌粒晶界特征分布

4．3．3 XRD分析

4．4 力学性能和电导率

4．4．1 显微硬度和电导率

4．4．2 拉伸性能和断口特征

4．5 抗腐蚀性能

4．5．1 晶间腐蚀

4．5．2 剥落腐蚀

4．6 讨论

4．7 本章小结

第五章 固溶态大变形铝合金的强度提升机理

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 位错强化

5．4 小角度晶界强化

5．5 大角度晶界强化

5．6 铝合金的强化组成

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作小结

6．2 本文主要创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果