喷射沉积Al-Zn-Mg-Cu合金成分优化及热加工组织调控

发布时间：2020-07-25 19:55

【摘要】：基于喷射沉积技术的深过冷及快凝特性,所制备的Al-Zn-Mg-Cu系列合金在航空航天等领域具有广泛的应用前景。目前关于喷射沉积高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究已取得不少成果,但在成分优化、组织调控等方面尚存在不足。本文基于相图热力学计算方法进行合金成分设计,并采用喷射沉积技术制备了高合金化的Al-Zn-Mg-Cu系列合金,系统地研究了合金成分在制备过程(喷射制坯、致密化、热处理)中对合金组织、相组成以及主要性能的作用规律及机制,建立了合金成分-组织-性能之间的对应关系,之后,对优化成分合金进行了锻造成形实验,着重分析了合金在变形过程中的应力应变行为以及缺陷形成机理。上述研究对于开发具有自主知识产权的新合金体系、推进喷射沉积高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的工程应用具有十分重要的意义。热力学计算结果显示:Zn/Mg比值是决定Al-Zn-Mg-Cu系合金析出相类型的最关键因素。当Zn/Mg4.5时,随Cu元素含量的增加,合金中只存在η(Mg Zn2)和θ(Al2Cu)相;当Zn/Mg4.5时,随着Cu元素含量的增加,合金中出现T(Al2Mg2Zn3)和S(Al2Mg Cu)相。对不同成分沉积态合金组织的观察表明:喷射沉积特殊的凝固条件导致共晶反应时残余液相匮乏,晶界组织呈现两相分离的离异共晶形态;受溶质扩散速度差异的影响,沉积态合金的凝固路径向低Cu方向偏移,但仍发生liquid→α(Al)+η(Mg Zn2)共晶反应;所有合金中由液相反应生成的共晶析出相均为η(Mg Zn2)相,晶内第二相的数量主要由Mg元素含量决定,而晶界第二相的尺寸和数量由(Mg+Cu)总含量决定;在合金中加入微量Sc元素,与Zr复合形成Al3(Sc Zr)初晶粒子,不仅可以细化晶粒,还能通过异质形核细化晶界离异共晶组织。雾化熔滴与沉积层的固液状态是决定沉积态合金孔隙形成与分布的关键因素。热等静压过程中,坯锭的致密化分为塑性变形阶段与蠕变扩散阶段;最佳热等静压致密化工艺为温度465/4h→485/h,压力130MPa,处理后沉积坯致密度达到99.9%以上,合金组织保持各向同性。合金经热挤压致密化后存在明显的组织各向异性,闭合孔隙与第二相沿挤压方向呈链状分布,形成弱势面;高Mg含量合金热挤压后第二相的数量更多,随着合金中Sc元素含量的增加,热挤压组织中第二相的尺寸逐渐减小,且弥散程度逐渐增加,合金组织得到进一步的细化。经双级固溶处理后合金中第二相大部分回溶到基体,低Mg含量合金更易进入α(Al)单相区。在120℃时效,合金的硬化曲线呈现双峰特征。高Mg含量在时效过程中GP区的脱溶驱动力增大,使形核率增加;当合金中Cu元素含量较高时,可以有效地阻止析出相的粗化与转变,有利于维持合金的峰时效状态。峰时效态合金中的主要析出相为η′相,厚度为2~3nm;随Mg含量提高,合金晶内析出相体积分数显著增加,晶界析出相面积分数增大,合金的强度增加而塑性降低;Cu元素含量对合金晶内析出相尺寸以及体积分数影响不明显。对于高Mg含量合金,提高Cu含量会增加粗大未溶晶间第二相的数量,进而促进沿晶断裂发生,使合金塑韧性进一步降低。具有中等Zn/Mg比以及Cu含量的合金具备最优异的综合力学性能:抗拉强度811MPa,屈服强度778MPa,延伸率6.8%。在合金中添加微量的Sc元素,产生大量细小的二次Al3(Sc Zr)相粒子,起到稳定合金亚结构的作用,同时提高合金的力学性能与抗蠕变性能。采用数值模拟方法研究了成形速度与成形温度对模锻件成形过程的影响,确定最佳成形速度区间为1.0mm/s~3.0mm/s,最佳成形温度为430℃。根据目标构件的尺寸形状特征以及预制坯料状态的不同进行了成形方案设计,并在最佳变形参数范围制备了盘类合金锻件。其中热等静压坯料在自由镦粗过程中受到二次拉应力作用,坯料边缘产生严重的裂纹;当热挤压坯料高径比较大时,容易发生流线的折叠和涡流等缺陷,且流线分布不均导致锻件力学性能的各向异性。经过热处理,包套镦粗+模锻方案所得锻件具备最佳力学性能并满足成形性要求:锻件盘底径向抗拉强度727MPa,屈服强度690MPa,延伸率5.0%;切向抗拉强度735MPa,屈服强度693Mpa,延伸率6.3%;双方向断裂韧性均高于30MPam1/2。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文g-Cu 系合金在材料性能和总体制备技术方面达到国际先进水平。近年来，然公司在国内率先实现了喷射沉积 7055 等高强韧铝合金的工业化生产，锭达到 Φ500mm×1600mm。哈尔滨工业大学采用双工位喷射沉积技术制备出l-Si 梯度板材，作为新型的高强耐磨结构材料，在工程中具有广阔的应用前于喷射沉积技术所具备的优越特性，目前仍然是制备强度 800MPa 以上超高合金的最佳途径。

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第 1 章绪论在选区激光熔覆过程中，打印腔室处于高纯氮气或氩气环境保护下，有效地防止熔融金属的氧化，另外，一些 SLM 设备可以对打印基板或整个腔室进行预热减少热应力裂纹或缺陷的产生。与传统减材制造或其它增材制造技术相比，选区激光熔覆技术可以在不经过任何后续处理的条件下制备接近完全致密的近终形金属构件，且制造形状复杂的物品成本不增加，在产品设计上具有极高的灵活性与自由度。除了直接制备构件，选区激光熔覆技术还可以进行破损构件的修复，实现节能减耗、缩短研发周期的目的。由于所具备的一系列优异特性，选区激光熔覆技术近年来被广泛的应用于各类合金的研发与制备中，2016 年，P. Wang 等人采用选区激光熔覆设备首次制备出超高强铝合金试样并与相似成分的铸态合金试样进行了比较，结果显示选区激光熔覆技术制备的合金具有等轴细晶的组织特征，在不经过热变形而直接热处理的情况下第二相回溶完全，试样 T6 态硬度值可达到220HV[33]。该结果证实选区激光熔覆制备 Al-Zn-Mg-Cu 系合金具有广阔的应用前景，但目前仍处于初步探索阶段。

变化情况图,Cu含量,变化情况

能起到补充强化的作用，还可以降低合金晶内和晶界处的电位差，使合金获得高强高韧的同时兼具优异的抗应力腐蚀性能。但过高的 Cu 元素含量会导致S 与 θ 相生成，而 S 相容易产生残留，从而降低合金的韧性[38]。综上所述，在Al-Zn-Mg-Cu 系合金中保持合理的 Zn/Mg 和 Cu/Mg 比是获得良好性能的基础。由于超高强铝合金制备方法多样，所对应的合金成分范围差别也较大，对于最佳主合金化元素含量比值尚无统一的结论，并且在实际生产中，受众多因素影响，几种主要强化相的形成机制目前仍不完全清楚。因此，如何增加有效强化相份数、避免难回溶粗大相生成一直是困扰众多研究者的难题。近年来，随着计算机技术的发展，材料热力学计算方法（CALPHAD）及其相关软件如 Pandat、Thermo-Calc、JMatPro 等逐渐被应用于多组元合金体系中，为合金成分设计提供了极大的便利。X.M. Li[39]等人采用 JMatPro 软件计算了 Cu 元素含量对 Al-Zn-Mg-Cu 合金强化相份数及力学性能的影响。计算结果显示当 Cu 含量为 1.4wt%时，η 相份数达到最大值；随着 Cu 含量的增加，合金中 S 相的份数不断增加，相反地，T 相的份数随着 Cu 含量的增加而急剧下降，如图 1-3 所示。对相同成分合金试样组织的 SEM观察证实了计算结果的准确性。a)b)

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