含钪轻质高强铝合金的热处理和变形工艺及其性能研究

摘要

稀土元素钪（Sc）被认为是迄今为止发现的最有效的变质剂，对铝合金具有细化晶粒、抑制再结晶和弥散强化的作用。作为新一代高性能铝合金， Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金受到了国内外研究人员的广泛关注。但是，该合金制备成本高，力学性能难以兼备高塑性与高强度，使其应用受到了限制。因此对Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金的成分和工艺进行优化以期降低成本、提高其综合性能具有重要的研究价值。
　　本文设计并制备了超高强Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金，研究了均匀化处理（温度、时间、冷却方式）、热挤压工艺（挤压温度、挤压比）对合金组织和性能的影响，同时分析了合金在时效过程中组织和性能的变化规律并探讨了其强化机制。结果表明：
　　Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金的最佳均匀化处理参数为470℃/1h并水冷。经此处理后，铸锭中非平衡共晶相（MgZn2）被消除，各合金元素分布趋于均匀。实验结果与动力学计算结果基本吻合。
　　热挤压使合金晶粒明显细化，约为铸态晶粒尺寸的十分之一，从而显著提高了材料的力学性能。本研究提出了直接成型工艺，即：将铸态合金在470℃下均匀化处理1h后直接热挤压。该工艺使合金在保持较高综合力学性能的同时，其工艺周期显著缩短，有效降低了能耗。
　　时效工艺（时效温度、时效时间）对Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金的组织与性能有重要影响：随着时效温度升高，合金峰值硬度增大，并且达到峰值所需时间缩短；合金在时效过程中伴随着GP区和η’相的形成，从而增加了材料的强度和硬度，显著提高了材料屈强比。合金在120℃℃条件下进行时效处理时存在双峰时效现象，是由GP区与η’相在析出时间范围上存在交叠导致。经过固溶和时效处理后的 Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金具有优异的力学性能：抗拉强度为746.9MPa，屈服强度为724.2MPa，延伸率为10.9％。其屈服强度的提高主要来自Sc元素加入、热变形以及时效处理的协同作用，其中 Sc和 Zr的加入使材料屈服强度提高了14%。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 Al-Zn-Mg-Cu超高强合金研究现状

1.3 Sc在铝合金中的作用

1.4 Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金发展现状

1.5本课题的研究意义及主要内容

第二章 实验材料、仪器及分析方法

2.1实验所用材料

2.2实验设备及用途

2.3材料性能测试方法

第三章 热处理及变形工艺对Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金组织性能影响

3.1热处理及变形工艺对合金I组织与性能的影响

3.2热处理及变形工艺对合金II组织与性能影响

3.3本章小结

第四章 超高强Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金的时效行为及其强化机制研究

4.1合金I的时效行为研究

4.2合金II的时效行为研究

4.3Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金强化机制

4.4本章小结

第五章 全文结论和创新点

5.1全文结论

5.2主要创新点

5.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢