Al-Zn-Mg(Cu)合金的热处理、微观结构与性能研究

【摘要】Al-Zn-Mg(Cu)合金具有优异的力学性能、抗腐蚀性能,尤其是高的比强度和比刚度,是重要轻质结构材料,广泛用于航空、航天、高速列车、汽车、船舶和建筑等行业。经合理的成分设计、铸造、加工成型和热处理可以获得良好的力学性能和抗腐蚀性能。由于实际应用中不断提高对材料性能的要求,因此理解微观结构对合金宏观性能的影响,进而指导合金的设计与制备显得越来越重要。但是,过去由于技术的限制,学者们对一些强化相和第二相的研究仍然处于猜测和模糊的阶段,甚至有一些矛盾的观点。现在高分辨电子显微镜和分析型电子显微镜新技术发展,使得从原子尺度研究铝合金中析出相演变规律变得可行。聚焦离子束微区取样制备透射电镜样品的技术,又进一步为透射电镜准确观察微区位置提供了可能。电子背散射衍射(EBSD)技术能提供更多合金中各种相的取向信息,从而为深化理解合金的力学性能和抗腐蚀机理提供了先进表征方法。因此,本论文充分利用上述材料微观结构表征技术,在研究商业合金的基础上,通过改进热处理工艺,获得更优异的宏观力学性能和抗腐蚀性能；通过优化合金成分,获得由T相前驱相强化的高强度合金。本论文主要分为四个部分：(1)设计了一种临界多级固溶制度使7055铝合金获得高于470℃/1h单级固溶的抗腐蚀性能和强度。多级固溶能减少连续体体积分数,从而减少腐蚀过程中点蚀起源位置,更多溶质原子溶解到基体造成的固溶强化及其在时效后析出更多沉淀相而获得最佳析出相强化。系统表征多级固溶处理后形成的球形颗粒的内部结构,解释了球形结构形成的机理。(2)利用HRTEM研究了7055铝合金在120℃单级时效过程中析出相微观组织和显微硬度的关系。时效早期的GPII区呈盘片状分布在铝的{111}晶面。时效到20h达到硬度峰值。此过程中,GPII区保持其厚度不变。当沿着厚度方向长厚,则GPII区开始向η1’转变,合金硬度开始下降。11’沿着直径方向长大时,硬度开始第二次上升。第二个峰值对应于较多11’。η1’又转变为η前驱相时,硬度再次下降。GPII或者η’咱身长大主要造成硬度提高,而转变为相对稳定的中间相时硬度下降。(3)研究设计的以T相或者T前驱相强化的l#(Al-7.6Zn-2.55Mg)合金,可以获得超过7150铝合金的硬度,尤其是几个纳米大小的T相前驱相强化不同于传统η1系列强化机制。T相在120℃时效过程中和铝基体共格,保持固定取向关系。通过XRD,SAED和HRTEM比较了7150,7N01和设计的1#合金在150℃、200℃、340℃和420℃高温时效1h之后的析出相。发现低Zn/Mg比的1#合金在所有温度下以T相(T前驱相)作为强化相；高Zn/Mg比合金(7150和7N01)出现η系列析出相。高合金元素含量的7150铝合金在420℃和340℃主要出现11相；低合金含量的7N01铝合金在200℃出现11相,在420℃和340℃时析出相溶解。低温(120℃)长时间时效一个月后,1#合金析出相以T相为主；7150铝合金析出相主要是三明治GPII区,η1’和一些rη-p；7N01铝合金析出相主要是GPII区和11’。在200℃时效一个月后,1#合金出现粗大T相和少量的η1相；7150和7N01铝合金在200℃时效一个月后的析出相是η1相；T相接近等轴状多面体；η1相呈杆状或者棒状,与铝合金基体有多种取向。(4)以总合金元素含量依次降低的四种商业合金(7055、7150、7075和7N01)为对象,研究单级峰值时效及高温过时效下的抗晶间腐蚀腐蚀性能及微观结构。过时效提高合金电导率和抗晶间腐蚀能力,降低合金腐蚀电位,增大腐蚀倾向性,但降低自腐蚀电流,其原因是腐蚀产物能阻止自腐蚀；含Cu合金随着合金元素总含量减少抗腐蚀性能降低,不含Cu合金(7N01)的耐腐蚀性能最好。含Cu合金的抗晶间腐蚀性能差的原因主要是存在S相,而且S相随着Cu含量增加而增加,从而降低了耐晶间腐蚀腐蚀性能。以Mg元素含量类似的合金(2#和3#)为对象,研究Cu元素对合金抗剥落腐蚀和应力腐蚀性能的影响。发现添加Cu能细化晶粒,发生均匀性剥落腐蚀；无Cu的合金铸造凝固时的形核中心少,造成晶粒粗大,在剥落腐蚀液中易发生晶间腐蚀。含Cu合金首先在弯梁试样应力腐蚀试验中开裂,主裂纹分开成两枝裂纹。不管合金是否含Cu,应力腐蚀开裂前沿都沿大角度晶界扩展,裂纹前沿周围存在微变形区域和亚晶粒,但含Cu合金裂纹前沿的微变形区域和亚晶粒较少。
【作者】杨修波；
【导师】陈江华；
【作者基本信息】湖南大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】Al-Zn-Mg(Cu)合金；电子显微镜；第二相；力学性能；抗腐蚀性；

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