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我国目前在航空用高强Al-Zn-Mg-Cu系合金(7xxx系铝合金)的生产、研究方面取得了不少成果,但在成分设计、组织控制和强韧化等原理、机理认识方面仍存不足。成分设计对该系合金强度、韧性和耐蚀性的作用规律及机制属领域核心内容,相关资料国外鲜有公开报道。系统研究该系合金成分—组织—性能间的关系对于理解、消化国外先进Al-Zn-Mg-Cu系合金设计理念及开发具有自主知识产权的新合金具有重要理论和工程应用价值。本文基于对该系合金高温相组成影响更为显著的Mg、Cu元素含量的调控,设计了系列高Zn含量(约8.5 wt%)的Al-Zn-Mg-Cu合金,研究Mg、Cu元素在制备流程(铸造、均匀化、轧制、固溶和时效)中对组织和主要性能的作用规律及机制。此外,采用计算热力学、动力学技术对一些重要实验现象进行了模拟分析,实验与模拟所得规律基本一致。主要研究结论如下：设计合金的实际凝固路径介于Scheil model和Level rule两种凝固模式之间,且更接近前者。铸锭中存在的大块σ相和(σ+θ)团块的含量主要由Mg含量决定,Cu元素的作用次之,具体为：Mg含量越高,形成的大块。相越多,(σ+0)团块越少；Mg含量相近时,合金Cu含量越高,形成的大块σ相越多,一般地(σ+θ)团块越多。高Mg高Cu含量合金难以形成(σ+0)团块。设计合金经460℃/168 h单级长时和(460℃/24h+475℃/24h)双级均匀化处理后的相组成与热力学计算所得Al-Zn-Mg-Cu (Zn=8.5 wt%)四元相图等温截面基本相符。研究显示,460℃平衡相组成受Mg含量影响显著：低Mg合金更易进入Al单相区,即使其含有高的Cu含量。475℃较460℃能更充分溶解第二相,此时平衡相组成主要由(Mg+Cu)含量决定：(Mg+Cu)< 4.35 wt%时合金可获得A1单相固溶体,否则难以获得Al单相固溶体。低Mg含量或高Zn:Mg比有助于加速合金时效析出进程,即合金能更快达到峰时效状态并具有更大的过时效速率。这是由于在第一级时效120℃/6 h过程中,低Mg含量或高Zn:Mg比能促进GPII区的形成,而高Mg含量或低Zn:Mg比会促进GPI区的形成。由于GPI热稳定性较GPII差,高Mg含量或低Zn:Mg比合金在120℃至160℃升温过程中较少的GP区能够保存下来成为第二级160℃时效阶段η相的形核点。Cu并不明显影响时效进程。相同时效状态下,设计合金的电导率、硬度、强度和韧性主要由Mg含量决定：提高Mg含量,合金硬度、强度提高,而电导率、韧性会相应降低。提高Cu含量也能获得类似效果,但效果较弱。实验及热力学模拟研究表明,提高Mg含量会显著增加欠时效及过时效态合金中析出相粒子的体积分数,不明显影响欠时效态合金粒子尺寸,但会一定程度上减小过时效态合金粒子尺寸,进而提高欠时效/过时效态合金的强度和硬度。提高合金Cu含量可在一定程度上增大析出相粒子体积分数,使合金强度和硬度获得提高,但其影响明显弱于Mg。随Mg含量增加,T76态合金晶界析出相粒子面积分数增大,晶内与晶界无析出区屈服应力差也会提高,这将促进沿晶断裂,导致合金韧性降低。Cu对合金韧性的影响较Mg弱。对于低/中Mg含量(如1.5/2.0 wt%)合金,提高Cu含量会增大晶内与晶界无析出区屈服应力差,并提高合金再结晶分数,这将在一定程度上促进沿晶断裂,导致合金韧性降低。对于高Mg含量(如2.5 wt%)合金,提高Cu含量还会增加固溶处理后粗大未溶金属间化合物粒子的数量,进而增大合金断裂倾向,使韧性进一步降低。