大规格喷射成形7055铝合金组织演化及其对力学性能和淬透性影响研究

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Al-Zn-Mg-Cu系铝合金具有密度低、比强度高、及加工性能良好等优点,被广泛用作航空、航天以及军事等领域的结构材料。随着我国航空航天事业的不断发展和国防现代化建设步伐的加快,对超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能提出了更高的要求。利用常规铸造工艺制备的铝合金经过多年研究,提升空间越来越小,因此从制坯源头改进变得尤为重要。开发新的锭坯制备工艺,降低生产成本,提升合金性能,成为了发展迫切需要的高性能结构材料的关键点。喷射成形工艺具有深过冷及快速凝固的特点,利用该工艺制备的锭坯微观组织与常规铸造显著不同,而喷射成形技术在大规格高强铝合金工业化生产上的突破为进一步提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能提供了新的思路,将拓展Al-Zn-Mg-Cu系合金在航空航天等领域的应用。目前关于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的研究已取得不少成果,但在热处理工艺对喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的微观组织和力学性能的影响、热处理结合挤压变形对性能影响、合金淬透性等方面的研究还存在片段化不系统的问题,难以为实际生产制备提供有效指导。在本论文中,以工业生产的大规格喷射成形Al-Zn-Mg-Cu7055铝合金为研究对象,利用光学显微镜(OM)、三维X射线显微镜分析、扫电子显微镜(SEM)、电子透射电子显微镜(TEM)、三维原子探针(3DAP)、电子背散射衍射技术(EBSD)、末端淬火实验、室温拉伸试验和显微硬度测试等技术,系统的研究了:(1)喷射成形7055合金锭坯的微观缺陷、晶粒和第二相种类;(2)均匀化处理对喷射成形7055合金第二相的演变、Al3Zr弥散相的析出的影响;(3)均匀化处理及挤压加工工艺对喷射成形7055合金力学性能的影响;(4)不同均匀化制度对喷射成形7055合金淬透性以及淬火敏感性对合金力学性能的影响。得出的主要结论如下:(1)大规格喷射成形7055合金锭坯中存在大量孔洞,孔洞的粒径分布范围为10~80μm,在锭坯边缘位置的孔洞体积分数最大,达到2.69%。锭坯经过挤压工艺处理后可以有效消除组织疏松。锭坯的微观组织中主要合金元素和微量合金元素都分布均匀,不存在传统熔铸7055合金中的成分偏析。相比传统熔铸7055合金中粗大树枝晶结构,喷射成形7055合金锭坯为尺寸细小的等轴晶。与传统熔铸7055合金相比,喷射成形7055合金中的初生相主要包括(?)(Mg(Zn,Al,Cu)2)相和θ(Al2Cu)相,未发现S(Al2CuMg)相和T(Al2Mg3Zn3)相。晶界上的初生相主要由Mg(Zn,Al,Cu)2相和嵌在其内部的Al2Cu相共同组成,在晶粒内部均匀分布着不同形貌、尺寸的Mg(Zn,Al,Cu)2相。(2)不经过均匀化处理喷射成形7055合金,在挤压前420oC~450oC的预热处理阶段,合金的初生相Mg(Zn,Al,Cu)2相会转变形成S(Al2CuMg)相;在预热处理前增加高温均匀化处理能够回溶几乎全部Mg(Zn,Al,Cu)2相,可以避免S(Al2CuMg)相形成。在470oC/2h固溶后,经过高温均匀化处理的合金残留相中仍然有S相,是由于均匀化空冷后析出的Mg(Zn,Al,Cu)2相会在预热阶段转变形成S相,但这类S相的尺寸要小于初生相转变形成的S相。喷射成形7055合金经过350oC/5h+470oC/24h,30oC/h升温的均匀化处理后,Al3Zr弥散相的析出效果最好,析出的Al3Zr颗粒数量最多且均匀分布在整个晶粒内,获得最优的抑制再结晶和晶粒长大的能力,解决了挤压固溶后合金表层再结晶问题。(3)喷射成形7055合金经过350oC/5h+470oC/24h,30oC/h升温的均匀化处理后,在挤压+固溶+峰值时效后的合金的力学性能最佳,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为736±4.3MPa、784±4.9MPa、9.5±0.9%。计算了三种主要强化贡献值,第二相强化对屈服强度的贡献为534MPa,晶界强化对屈服强度的贡献为136MPa,固溶强化对屈服强度的贡献值为54MPa。(4)不同的均匀化制度对时效态喷射成形7055合金的淬透性有重要影响。经过470oC/24h均匀化处理的合金,Al3Zr弥散相的析出效果最差,但淬透性最好,淬透深度为80mm。而经过350oC/5h+470oC/24h,30oC/h升温的均匀化处理后的合金,Al3Zr弥散相的析出效果最好,但淬透性最差,淬透深度为45mm。均匀化析出的A13Zr颗粒、晶界、亚晶界和位错对喷射成形7055合金的淬火敏感性有重要影响。一些均匀化析出的A13Zr颗粒在挤压处理和固溶退火后与铝基体的错配度上升,引起颗粒与基体的界面应变能增加,这些A13Zr颗粒会成为慢速率淬火析出第二相的非均匀形核点,增加合金的淬火敏感性。同时,A13Zr颗粒与位错、亚晶界以及晶界的相互作用也会使合金在慢速淬火过程中第二相析出的趋势增大,增加淬火敏感性。
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