铝锌镁铜系合金钪微合金化及其电阻点焊性能研究

摘要

在轻合金研究领域中，新型高强度铝合金的研发在世界范围内都是前沿创新科技。铝锌镁铜系合金作为最常用的超高强度铝合金之一，开展该系合金的稀土微合金化研究具有十分广阔的前景。本文以7075铝合金钪微合金化为主要研究内容，制备出了含有一定钪元素的7075合金，并采用金相和扫描电子显微技术、室温拉伸、显微硬度与电化学测试方法，系统研究了微量钪元素在7075合金中的作用机理，以及热处理、热变形对含Sc 7075合金组织、性能的影响规律。在此基础上，使用所制备的含钪铝合金进行了电阻点焊焊接性的研究，探明了不同含 Sc 量的7075铝合金电阻点焊接头组织性能的演变机理。同时，创新性地开发了一种以Al-Sc 中间合金作为中间层的铝合金三层板电阻点焊工艺，并对获得的点焊接头进行了深入的组织分析，得出以下主要结论：　　均匀化处理能够消除7075铝合金铸锭内的组织偏析，溶解晶界处的粗大二次相，降低合金显微硬度。合金的均匀化铸锭经过热变形及固溶-时效处理后会析出大量细小且均匀分布的时效相，大幅提升合金力学性能。Sc 的添加能够明显减小7075 铝合金晶粒尺寸，稳定组织亚结构，抑制合金热变形后的再结晶效应，从而进一步提升合金的力学性能。除此之外，在 7075 铝合金中添加 Sc元素不仅能够减小合金腐蚀电流密度，还能提高合金在腐蚀环境中的腐蚀阻抗，提高7075铝合金的耐蚀性。　　不同含Sc量对7075铝合金电阻点焊接头晶粒类型及尺寸影响较大，无钪7075铝合金熔核区晶粒由粗大且交错复杂的树枝晶组成，晶粒尺寸为51.51 ± 5.74μm，随着铝合金中含Sc量的不断增加，熔核区晶粒尺寸逐渐减小到5.13 ± 0.77μm。且由于熔核区中强化相的溶解，使得其显微硬度在点焊接头中是最低的。同时，Sc的添加能够减少 7075 铝合金中的脆性相，使合金点焊接头强度由无钪时的 2816.82 ± 302.89N提高至含0.4wt.%钪时的3641.69 ± 99.52N，其剪切断裂形式主要为塑性-脆性混合断裂模式，断裂位置均为点焊熔核内部。由于合金表面产生的氧化膜及合金本身较宽的凝固温度范围，在含钪7075铝合金电阻点焊接头中还观察到了飞溅、缩孔和热裂纹缺陷。　　采用正交试验极差分析法与方差分析法对以 Al-Sc 中间合金作为中间层的7075铝合金三层板电阻点焊工艺进行研究，揭示了电阻点焊工艺参数对接头组织、性能的影响规律。以获得较大的点焊熔核尺寸、较高的接头剪切强度和较小的翘曲角作为优化目标，获得了三层板电阻点焊较优的工艺参数为：焊接电流24 kA，焊接时间6周，电极压力2.4 kN。通过对优化后的点焊试样进行显微分析，发现在使用Al-Sc合金作为中间层后，熔核内充斥着大量的Al3Sc颗粒，大量晶粒以Al3Sc颗粒作为形核质点生长，平均尺寸较小。但是当所得到的熔核尺寸较大时，熔核整体的成分不均匀，导致边缘组织与芯部组织形态有差异。

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2 7000系变形铝合金研究现状

1.3.1 7000系超硬铝合金成分

1.3.2 7000系铝合金常用的加工工艺

1.4.1国内外研究背景

1.4.2 Sc微合金化对铝合金的影响

1.4.3含钪铝合金的制备工艺

1.5铝合金电阻点焊

1.5.1铝合金电阻点焊的原理及特点

1.5.2铝合金电阻点焊研究综述

1.6三层板电阻点焊工艺

1.7课题研究意义及内容

2 实验材料与方法

2.1研究方案与材料

2.2.1铸锭的熔炼

2.2.2铸锭的均匀化处理

2.2.3铝合金的热轧与固溶-时效处理

2.3电阻点焊工艺

2.4.1显微组织表征

2.4.2力学性能表征

2.4.3腐蚀性能测试

3 钪微合金化对7075铝合金组织及性能影响规律

3.1.1铸态合金显微组织特点

3.1.2均匀化处理对铸态合金组织及性能的影响

3.2固溶-时效处理对含Sc铝合金均匀化铸锭组织及性能影响

3.2.1含Sc铝合金在固溶-时效处理后的组织及力学性能变化

3.2.2含钪7075铝合金固溶-时效后腐蚀性能分析

3.3本章小结

4 含钪7075铝合金电阻点焊焊接性研究

4.1.1铝合金电阻点焊宏观分析

4.1.2含钪铝合金电阻点焊熔核微观形貌分析

4.2.1点焊熔核组织分析

4.2.2焊点力学性能分析

4.3铝合金电阻点焊缺陷分析

4.3.1飞溅

4.3.2缩松与缩孔

4.3.3焊接裂纹

4.4本章小结

5 添加铝钪合金中间层的三层板电阻点焊工艺参数研究

5.1.1正交试验方案设计

5.1.2正交试验结果测量

5.1.3极差分析法与方差分析法优化点焊工艺参数

5.2含铝钪合金中间层的三层板电阻点焊显微组织研究

5.3本章小结

6 全文结论

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录

C 学位论文数据集

致谢