【摘 要】
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Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其复合材料,由于优异的综合性能已经成为航空航天、军工国防等领域应用最为广泛的材料之一。本文以Al-8.8Zn-2.2Mg-x Cu-0.1Sr-0.2Zr-y Ti为基础,设计出4种不同成分的铝合金,择优选出强度和韧性最佳的铝合金材料为基体,以纯SiCw、SiCw+SiCp为增强体,通过挤压铸造制备获得综合性能突出的铝基复合材料,并对其进行组织结构和性能分析,主要的
【基金项目】
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军委装备发展部的军工项目——“各向同性超高强度铝基复合材料基础研究”；
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Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其复合材料,由于优异的综合性能已经成为航空航天、军工国防等领域应用最为广泛的材料之一。本文以Al-8.8Zn-2.2Mg-x Cu-0.1Sr-0.2Zr-y Ti为基础,设计出4种不同成分的铝合金,择优选出强度和韧性最佳的铝合金材料为基体,以纯SiCw、SiCw+SiCp为增强体,通过挤压铸造制备获得综合性能突出的铝基复合材料,并对其进行组织结构和性能分析,主要的研究内容及结果如下:（1）研究了0、0.5（wt.%）含量梯度的Ti元素,1.1、1.8、2.5（wt.%）含量梯度的Cu元素对铝合金组织结构与性能的影响。铝合金材料按熔铸—均质化退火—挤压—固溶—T6处理的工艺流程制备得到。通过观察与分析发现,添加0.5 wt.%的Ti可以几近消除合金中200～350μm的大尺寸晶粒,显著细化晶粒尺寸和改善尺寸的分布状态,同时较大幅度提高合金的硬度与拉伸强度,分别达到了226.6HV、738.27MPa,断后延伸率出现轻微下降。抗晶间腐蚀能力也有明显的提升。当Ti含量保持不变时,随着Cu含量的不断提升,Ti元素细化晶粒尺寸的作用开始被削弱。合金的硬度开始不断降低,电导率出现较大幅度的提升,拉伸强度开始呈现出连续下降的趋势。当Cu含量在1.8 wt.%时,拉伸强度出现轻微下降,但明显提升其断后伸长率,是四种材料中最高的,达到了13.2%。当Cu含量继续添加至2.5wt.%时,拉伸性能和断后伸长率显著下降,分别仅有633.25MPa、7.0%。抗晶间腐蚀的能力也出现连续性的较大降幅。由此初步确定以Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti为铝基复合材料的基体材料。（2）研究了T6、T6I4、T6I6和RRA-T6I4四种时效工艺对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金性能的影响。通过研究发现,从整体上来看,四种铝合金样品在T6I4、T6I6、RRA-T6I4时效下的拉伸强度与T6态的拉伸强度相比变化不大,但断后伸长率均有明显提升,其中RRA-T6I4的效果最为显著。以Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti为对象来讲,其时效工艺效果优劣顺序如下（以“>”表示“优于”）:在强度方面:T6I4>T6>T6I6>RRA-T6I4;在韧性方面:RRA-T6I4>T6I4>T6>T6I6;在抗晶间腐蚀方面:RRA-T6I4>T6I4>T6I6>T6。根据结果发现该合金在各时效状态下均具有较好的性能,且T6I4时强度和韧性达到最优解,拉伸强度为748.61MPa,断后伸长率为13.2%。根据TEM发现T6I4时效状态时晶粒内析出的强化相非常细小,弥散程度很高;晶界GBPs尺寸在25～40nm,PFZ宽度约为30nm,均明显小于T6态下的GBPs尺寸与PFZ宽度,PFZ呈不连续分布,且相间距十分显著。最终确定以Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti为铝基复合材料的基体材料。（3）研究了以Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti铝合金为基体,以SiCw、SiCw+SiCp两种不同增强组元材料为增强体的铝基复合材料的组织结构与性能。通过研究发现,SiCw增强的复合材料的界面结合度和增强体均匀分布程度较差。在SiCw+SiCp增强的复合材料中,SiCp的加入显著改善了SiCw分布的均匀程度和密集程度,具有良好的界面结合效果。与此同时,SiCw+SiCp增强的复合材料在提升位错密度与位错强化方面也具有显著优势,分别达到了4.37×1014m-2、114.17MPa。在T6峰时效状态下,SiCw+SiCp增强的复合材料在硬度、压缩强度方面比SiCw增强的效果更加突出,其硬度和压缩强度分别达到了376.7HV、889.7MPa,压缩率为8.40%。对于Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti+SiCw+SiCp复合材料来讲,其最佳的T6I4时效工艺为121℃×1h（水冷）+65℃×36h,此时压缩强度高达991.8MPa。综上所述,本文成功制备了一种高强高韧铝合金及通过RSD法SiCw+SiCp增强的铝基复合材料。研究表明Al-8.73Zn-2.24Mg-1.21Cu-0.2Zr-0.1Sr-0.47Ti具有突出的拉伸强度和韧性,且最佳的时效工艺为121℃×4h（水冷）+65℃×120h（T6I4）。此外,SiCw+SiCp增强的复合材料在改善材料组织结构、硬度、压缩强度方面均比纯SiCw增强的更具优势,其最佳的T6I4时效工艺为121℃×1h（水冷）+65℃×36h。目前针对RSD法制备多元混合增强的复合材料及其时效工艺的研究较少,本文可为后续的研究提供相关参考。
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