7000系铝合金的非等温时效行为及其对力学性能的影响

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地球有限的能源和资源贮备,使全社会对可持续发展给予了更多的关注,也对工业生产中的经济、节能、高效提出了更高的要求。7000系铝合金作为一种高强度的铝合金广泛应用于航空航天和交通运输领域,其高强高韧耐腐蚀性能的有机结合一直是人们追求的目标。7000系铝合金的热处理是改善合金性能的有效途径,同时也是一个高耗能和耗时的过程。为满足这些要求,实现7000系铝合金综合性能的提升和节能、高效热处理工艺的开发,本文通过现代分析测试方法系统研究了7050和7A60两种7000系铝合金在热处理过程中的组织演变和7000系铝合金在非等温时效过程中的性能变化及其析出相的析出行为。并在此基础上成功开发出(升温+降温)和(降温+等温)复合时效工艺,使合金获得了优异的综合性能。通过硬度和电导率测试,SEM, TEM, DSC和XRD分析对均匀化过程的研究表明:7000系铝合金铸态组织中主要包含α-Al, Mg(Zn,Cu,Al)2和少量含铁相。Mg(Zn,Cu,Al)2相具有MgZn2结构,是由大量A1和Cu元素溶入MgZn2相中而形成的。均匀化后,7A60合金中剩余部分Mg(Zn,Cu,Al)2相和少量含铁相;7050合金中则发生Mg(Zn,Cu,Al)2相向S(Al2CuMg)相转变,最后剩余部分S相和少量含铁相。7000系铝合金中Zn含量对均匀化过程中Mg(Zn,Cu,Al)2相向S(Al2CuMg)相转变起着重要作用,当合金中Zn含量大于8%时,不发生Mg(Zn,Cu,Al)2相向S(Al2CuMg)相的转变。通过拉伸性能测试,金相观察和SEM分析对合金固溶处理的研究表明:随着固溶温度的升高,合金中剩余第二相含量逐渐减少,合金拉伸性能提高。当温度高于480℃时,合金发生明显的过烧现象,晶界熔化,晶粒再结晶长大,合金的性能急剧下降;随着固溶时间的延长,合金中剩余第二相含量逐渐减少,开始1小时内下降较快,2h后达到稳定,延长固溶时间对合金性能影响不大。升温时效后7000系铝合金获得了优异的综合性能,其强度和电导率都优于T6处理。升温时效终止温度较低时,合金晶内析出相以细小的GP区和η’相为主,晶界上连续分布着棒状稳定相η相;随着升温时效终止温度的升高和升温速率的降低,合金晶内析出相先以尺寸混杂的η相为主,而后急剧长大,形成粗大的η’相和η相,同时晶界上析出相急剧长大,呈项链状分布。合金在升温时效过程中沉淀相的析出序列与传统等温时效一致,都是SSS→GP zone→η’→η。析出相析出过程可分为形核,形核+长大,长大和粗化四个阶段。降温时效后7000系铝合金亦获得了优异的综合性能。对降温时效过程的分析表明7000系铝合金降温时效过程中,采用高起始温度/低降温速率和低起始温度/高降温速率析出序列分别为:SSS→η’相→η相和SSS→η’相→η’相+GP区。析出相析出过程可分为大量形核阶段,长大阶段(低起始温度,高降温速率)或是长大和粗化阶段(高起始温度,低降温速率)和再次形核析出阶段(低起始温度,高降温速率)三个阶段。同时,对晶界的分析表明在降温时效开始阶段,合金晶界上形成大量紧密排列成条状的细小稳定η相;晶界上η相随着降温时效的进行不断长大降温时效后期合金晶内析出相变化不大,但是晶界析出相由连续状变为项链状分布,对于提高合金抗腐蚀能力具有重要意义。升温+降温复合时效能够大幅提高合金综合性能。对7050铝合金组织分析表明:升温+降温复合时效后合金中析出相主要以η’相为主,随着时效最高温度的升高和温度变化速率的降低,合金中η’相的含量有所增加。合金晶界上断续分布着稳定相η相,随着时效最高温度的升高和温度变化速率的降低合金晶界上析出相尺寸增加,析出相间距变大,晶界无析出带变宽;降温+等温复合时效工艺能够使合金在达到T6强度的同时极大改善晶界结构,有效提升7000系铝合金抗腐蚀性能。非等温时效工艺不但可以有效提高7000系铝合金的综合性能,而且能大幅缩短时效时间,对提高铝合金生产效率和节能减排具有重要意义。
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