【摘要】：基于噴射沉積技術(shù)的深過冷及快凝特性,所制備的Al-Zn-Mg-Cu系列合金在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前關(guān)于噴射沉積高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究已取得不少成果,但在成分優(yōu)化、組織調(diào)控等方面尚存在不足。本文基于相圖熱力學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行合金成分設(shè)計(jì),并采用噴射沉積技術(shù)制備了高合金化的Al-Zn-Mg-Cu系列合金,系統(tǒng)地研究了合金成分在制備過程(噴射制坯、致密化、熱處理)中對合金組織、相組成以及主要性能的作用規(guī)律及機(jī)制,建立了合金成分-組織-性能之間的對應(yīng)關(guān)系,之后,對優(yōu)化成分合金進(jìn)行了鍛造成形實(shí)驗(yàn),著重分析了合金在變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為以及缺陷形成機(jī)理。上述研究對于開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新合金體系、推進(jìn)噴射沉積高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的工程應(yīng)用具有十分重要的意義。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示:Zn/Mg比值是決定Al-Zn-Mg-Cu系合金析出相類型的最關(guān)鍵因素。當(dāng)Zn/Mg4.5時(shí),隨Cu元素含量的增加,合金中只存在η(Mg Zn2)和θ(Al2Cu)相;當(dāng)Zn/Mg4.5時(shí),隨著Cu元素含量的增加,合金中出現(xiàn)T(Al2Mg2Zn3)和S(Al2Mg Cu)相。對不同成分沉積態(tài)合金組織的觀察表明:噴射沉積特殊的凝固條件導(dǎo)致共晶反應(yīng)時(shí)殘余液相匱乏,晶界組織呈現(xiàn)兩相分離的離異共晶形態(tài);受溶質(zhì)擴(kuò)散速度差異的影響,沉積態(tài)合金的凝固路徑向低Cu方向偏移,但仍發(fā)生liquid→α(Al)+η(Mg Zn2)共晶反應(yīng);所有合金中由液相反應(yīng)生成的共晶析出相均為η(Mg Zn2)相,晶內(nèi)第二相的數(shù)量主要由Mg元素含量決定,而晶界第二相的尺寸和數(shù)量由(Mg+Cu)總含量決定;在合金中加入微量Sc元素,與Zr復(fù)合形成Al3(Sc Zr)初晶粒子,不僅可以細(xì)化晶粒,還能通過異質(zhì)形核細(xì)化晶界離異共晶組織。霧化熔滴與沉積層的固液狀態(tài)是決定沉積態(tài)合金孔隙形成與分布的關(guān)鍵因素。熱等靜壓過程中,坯錠的致密化分為塑性變形階段與蠕變擴(kuò)散階段;最佳熱等靜壓致密化工藝為溫度465/4h→485/h,壓力130MPa,處理后沉積坯致密度達(dá)到99.9%以上,合金組織保持各向同性。合金經(jīng)熱擠壓致密化后存在明顯的組織各向異性,閉合孔隙與第二相沿?cái)D壓方向呈鏈狀分布,形成弱勢面;高M(jìn)g含量合金熱擠壓后第二相的數(shù)量更多,隨著合金中Sc元素含量的增加,熱擠壓組織中第二相的尺寸逐漸減小,且彌散程度逐漸增加,合金組織得到進(jìn)一步的細(xì)化。經(jīng)雙級固溶處理后合金中第二相大部分回溶到基體,低Mg含量合金更易進(jìn)入α(Al)單相區(qū)。在120℃時(shí)效,合金的硬化曲線呈現(xiàn)雙峰特征。高M(jìn)g含量在時(shí)效過程中GP區(qū)的脫溶驅(qū)動(dòng)力增大,使形核率增加;當(dāng)合金中Cu元素含量較高時(shí),可以有效地阻止析出相的粗化與轉(zhuǎn)變,有利于維持合金的峰時(shí)效狀態(tài)。峰時(shí)效態(tài)合金中的主要析出相為η′相,厚度為2~3nm;隨Mg含量提高,合金晶內(nèi)析出相體積分?jǐn)?shù)顯著增加,晶界析出相面積分?jǐn)?shù)增大,合金的強(qiáng)度增加而塑性降低;Cu元素含量對合金晶內(nèi)析出相尺寸以及體積分?jǐn)?shù)影響不明顯。對于高M(jìn)g含量合金,提高Cu含量會(huì)增加粗大未溶晶間第二相的數(shù)量,進(jìn)而促進(jìn)沿晶斷裂發(fā)生,使合金塑韌性進(jìn)一步降低。具有中等Zn/Mg比以及Cu含量的合金具備最優(yōu)異的綜合力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度811MPa,屈服強(qiáng)度778MPa,延伸率6.8%。在合金中添加微量的Sc元素,產(chǎn)生大量細(xì)小的二次Al3(Sc Zr)相粒子,起到穩(wěn)定合金亞結(jié)構(gòu)的作用,同時(shí)提高合金的力學(xué)性能與抗蠕變性能。采用數(shù)值模擬方法研究了成形速度與成形溫度對模鍛件成形過程的影響,確定最佳成形速度區(qū)間為1.0mm/s~3.0mm/s,最佳成形溫度為430℃。根據(jù)目標(biāo)構(gòu)件的尺寸形狀特征以及預(yù)制坯料狀態(tài)的不同進(jìn)行了成形方案設(shè)計(jì),并在最佳變形參數(shù)范圍制備了盤類合金鍛件。其中熱等靜壓坯料在自由鐓粗過程中受到二次拉應(yīng)力作用,坯料邊緣產(chǎn)生嚴(yán)重的裂紋;當(dāng)熱擠壓坯料高徑比較大時(shí),容易發(fā)生流線的折疊和渦流等缺陷,且流線分布不均導(dǎo)致鍛件力學(xué)性能的各向異性。經(jīng)過熱處理,包套鐓粗+模鍛方案所得鍛件具備最佳力學(xué)性能并滿足成形性要求:鍛件盤底徑向抗拉強(qiáng)度727MPa,屈服強(qiáng)度690MPa,延伸率5.0%;切向抗拉強(qiáng)度735MPa,屈服強(qiáng)度693Mpa,延伸率6.3%;雙方向斷裂韌性均高于30MPam1/2。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文g-Cu 系合金在材料性能和總體制備技術(shù)方面達(dá)到國際先進(jìn)水平。近年來，然公司在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了噴射沉積 7055 等高強(qiáng)韌鋁合金的工業(yè)化生產(chǎn)，錠達(dá)到 Φ500mm×1600mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用雙工位噴射沉積技術(shù)制備出l-Si 梯度板材，作為新型的高強(qiáng)耐磨結(jié)構(gòu)材料，在工程中具有廣闊的應(yīng)用前于噴射沉積技術(shù)所具備的優(yōu)越特性，目前仍然是制備強(qiáng)度 800MPa 以上超高合金的最佳途徑。

第 1 章 緒 論在選區(qū)激光熔覆過程中，打印腔室處于高純氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境保護(hù)下，有效地防止熔融金屬的氧化，另外，一些 SLM 設(shè)備可以對打印基板或整個(gè)腔室進(jìn)行預(yù)熱減少熱應(yīng)力裂紋或缺陷的產(chǎn)生。與傳統(tǒng)減材制造或其它增材制造技術(shù)相比，選區(qū)激光熔覆技術(shù)可以在不經(jīng)過任何后續(xù)處理的條件下制備接近完全致密的近終形金屬構(gòu)件，且制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上具有極高的靈活性與自由度。除了直接制備構(gòu)件，選區(qū)激光熔覆技術(shù)還可以進(jìn)行破損構(gòu)件的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、縮短研發(fā)周期的目的。由于所具備的一系列優(yōu)異特性，選區(qū)激光熔覆技術(shù)近年來被廣泛的應(yīng)用于各類合金的研發(fā)與制備中，2016 年，P. Wang 等人采用選區(qū)激光熔覆設(shè)備首次制備出超高強(qiáng)鋁合金試樣并與相似成分的鑄態(tài)合金試樣進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示選區(qū)激光熔覆技術(shù)制備的合金具有等軸細(xì)晶的組織特征，在不經(jīng)過熱變形而直接熱處理的情況下第二相回溶完全，試樣 T6 態(tài)硬度值可達(dá)到220HV[33]。該結(jié)果證實(shí)選區(qū)激光熔覆制備 Al-Zn-Mg-Cu 系合金具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前仍處于初步探索階段。

能起到補(bǔ)充強(qiáng)化的作用，還可以降低合金晶內(nèi)和晶界處的電位差，使合金獲得高強(qiáng)高韌的同時(shí)兼具優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕性能。但過高的 Cu 元素含量會(huì)導(dǎo)致S 與 θ 相生成，而 S 相容易產(chǎn)生殘留，從而降低合金的韌性[38]。綜上所述，在Al-Zn-Mg-Cu 系合金中保持合理的 Zn/Mg 和 Cu/Mg 比是獲得良好性能的基礎(chǔ)。由于超高強(qiáng)鋁合金制備方法多樣，所對應(yīng)的合金成分范圍差別也較大，對于最佳主合金化元素含量比值尚無統(tǒng)一的結(jié)論，并且在實(shí)際生產(chǎn)中，受眾多因素影響，幾種主要強(qiáng)化相的形成機(jī)制目前仍不完全清楚。因此，如何增加有效強(qiáng)化相份數(shù)、避免難回溶粗大相生成一直是困擾眾多研究者的難題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，材料熱力學(xué)計(jì)算方法（CALPHAD）及其相關(guān)軟件如 Pandat、Thermo-Calc、JMatPro 等逐漸被應(yīng)用于多組元合金體系中，為合金成分設(shè)計(jì)提供了極大的便利。X.M. Li[39]等人采用 JMatPro 軟件計(jì)算了 Cu 元素含量對 Al-Zn-Mg-Cu 合金強(qiáng)化相份數(shù)及力學(xué)性能的影響。計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng) Cu 含量為 1.4wt%時(shí)，η 相份數(shù)達(dá)到最大值；隨著 Cu 含量的增加，合金中 S 相的份數(shù)不斷增加，相反地，T 相的份數(shù)隨著 Cu 含量的增加而急劇下降，如圖 1-3 所示。對相同成分合金試樣組織的 SEM觀察證實(shí)了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。a)b)

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本文編號：2770293