高锌超高强铝合金材料及强韧化机制研究

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高锌Al-Zn-Mg-Cu合金综合性能十分优异,配合先进的成形工艺和热处理制度,其在航空航天等领域拥有广阔的应用前景。尽管国内外学者对超高强铝合金进行过多年大量的研究,但目前对合金时效析出过程尚未形成统一的观点。本文以Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu-0.12Zr合金(用1#合金表示)为对象,研究合金微观组织演变及强化相析出过程,同时在合金当中添加不同含量的稀土元素Er(0.1wt.%,0.2wt.%,分别用2#合金,3#合金表示),考量Er对合金组织和性能的影响。  通过熔铸获得的合金铸锭经均匀化、热挤压变形以及T6处理后,对合金进行了显微硬度测试、常温拉伸性能测试,结合金相观察、XRD分析、扫描电镜分析和透射电镜分析等手段,观察和测试合金各状态下微观组织的特点及性能,重点研究单级时效过程中强化相析出过程,探讨合金的强韧化机制。  研究表明,合金铸态组织为发达的枝晶组织,存在严重成分偏析。1#合金平均晶粒直径为331μm。Er的加入能够显著细化晶粒尺寸,2#和3#合金平均晶粒直径分别为218μm和190μm,Er可以细化一次和二次枝晶间距,减少晶间共晶相的含量,改善枝晶偏析。400℃/4h+470℃/30h的均匀化处理能够有效消除合金枝晶组织,改善成分偏析,但铸锭组织中粗大的非平衡共晶相很难通过均匀化处理得以完全消除,并且随着Er含量的增加合金组织中未回溶非平衡相有所增加。  合金经热挤压变形和固溶处理后表现出很强的时效硬化特性,120℃单级时效0~4h内合金硬度上升十分迅速。1#合金硬度峰值出现在22h,为219.56HV,2#和3#合金均出现在18h,分别为221.6HV和222.8HV。Er能够提高合金120℃单级时效的峰值硬度,缩短合金达到硬度峰值所需的时间。Er还可以提高T6态下合金的常温拉伸行性能,2#合金的拉伸性能最好,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为724.25MPa、672.5MPa和12.5%,3#合金拉伸性能出现明显下降,对应的性能分别为713.5MPa、660.25MPa、10.125%,过量的添加Er严重影响合金的拉伸性能,本文Er的加入量以0.1%为宜。  合金时效初期0~4h内的主要强化相为GPⅡ区,该相与基体完全共格,直径约为3~6nm,厚度不超过1.402nm。η’相在时效2h后形成,由GPⅡ区演变而来,直径在5~10nm,厚度在1.4~2nm之间,峰值时效状态下合金强化相为GPⅡ和η’相。Er能够促进GPⅡ和η’相的形核长大,使合金析出相更加细小弥散。实验没有明确观察到GPⅠ区和η相的存在,合金在120℃单级时效初期到峰值时效阶段的析出序列为:SSS(过饱和固溶体)→GPⅡ区→η’相。
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