铝作为地壳储量最大的元素之一,约占地壳总质量的8%.2wt%,由于铝在大气中总是活泼的,它通常以氧化物的形式存在Al2O3中提取Al通常采用电解法,难以提取,因此铝的发展历史不超过200年。当时,皇家学会毫不犹豫地为门捷列夫制作了一个铝杯,以表彰门捷列夫对化学的杰出贡献。目前,随着航空航天技术的快速发展,铝合金及其复合材料因其比强度高、耐腐蚀性好、成型性能优异而广泛应用于航空航天。7075(Al-Zn-Mg-Cu)超硬铝合金是20世纪40年代末最早用于飞机的铝合金材料。之后,通过添加其他合金元素,改变其合金元素的含量,改变其热处理工艺,获得了许多性能优异的航空航天材料。别士强和其他人在那里Al-Zn-Mg-Cu添加到铝合金中Ni研究结果表明,0.25%的Ni合金中除中和铁的含量Al9FeNi 相外, 还产生强化相Al7Cu4Ni , 在及时性过程中起沉淀硬化作用。
1.Al-Zn-Mg-Cu系铝合金
Al-Zn-Mg-Cu铝合金是目前强度最高的铝合金,强度500~700MPa,加上其优异的工艺性能,使其成为航空航天行业的重要结构材料。Al—Zn—Mg 是在合金的基础上发展起来的,属于可热处理强化铝合金。其屈强比高,比强度高,但塑性低,耐腐蚀性低于纯铝,疲劳强度低。通常,铝包装是用来提高其耐腐蚀性的。使用温度高于 120℃它会急剧软化,包括固溶体分解和弥散相。其化学成分主要为:化学成分/%,不大于其他杂质/%,不大于
2.Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法
Al-Zn-Mg-Cu超硬铝合金通常采用退火、淬火、及时性(固体溶解加及时性)工艺进行热处理,以获得较高的机械性能。固体溶解处理是将合金元素充分融入基体,固体溶解温度过高,合金元素溶解非常充分,但通常使晶粒较厚;固体溶解温度过低,合金元素溶解不足,影响固体溶解效果。Al-Zn-Mg合金固溶处理温度低,淬火时的冷却速度对强度影响小,室温下的时效硬化效果好,因此广泛应用于焊接结构材料中。然后通过淬火固溶体保留到室温,淬火效果主要取决于合金元素的溶解度、溶解方法和淬火的冷却速度。但淬火后的铝合金塑性明显降低,内应力高,开裂倾向大。因此,等温淬火通常用于减少此类问题。而且固溶强化能力有限,淬火后的铝合金强度不如钢。在后续工艺中,时效处理对铝合金的强化起着重要作用。时效是淬火后的铝合金在随后的低温保温一段时间后,在过饱和的固溶体中沉淀出来,从而改变强度、硬度等性质的过程。根据时效温度的不同,可分为低温时效(自然时效)和高温时效(人工时效)。在时效过程中,控制适当的温度和时效是相当重要的。变形铝合金对时效具有相当高的敏感性。T1~T10。 状态代号T1 高温成型 自然时效T2 高温成型 冷加工 自然时效T3 固溶处理 冷加工的自然时效性T4 固溶处理T5 高温成型 人工时效T6 固溶处理 人工时效T7 固溶处理T8 固溶处理 冷加工T9 固溶处理 人工时效 冷加工 T10 高温成型 冷加工
3.Al-Zn-Mg-Cu铝合金的强化机理
Al-Zn-Mg-Cu是铝合金中的多种微量合金元素,以下文章将是Zn、Mg、Cu讨论7075中的作用。 在Al-Zn-Mg-Cu在系铝合金中起主要作用的合金元素是Zn、Mg,随着Zn、Mg含量增加,强度显著增加,可以形成T(Al2Mg3Zn3)相、η(MgZn2)相,这两相的脱溶沉淀效果相当显著,是7075系铝合金的主要强化手段;Cu还具有一定的强化作用,Cu与Al、Mg结合形成S(Al2CuMg)相可起到强化作用,能提高合金的强度,它的主要作用是提高抗腐蚀性能,提高基体的腐蚀电位。国内外许多研究人员在这一方面做了许多研究。梁维盛等人在Al-8.25Zn-2.4Mg-2.3Cu在铝合金中加入微量Zr、Er分析其机械性能得出结论,复合加入Zr、Er会对铸锭组织产生细化作用,主要是在凝固结晶中产生结晶核的核心。而且其抗拉强度和伸长率都有了显著的提高。Wei等人在Al-Zn-Mg-Cu系中添加Li结果表明,元素含量为1%Li能促进沉淀相脱溶。别士强等人Al- Z n -M g- C u -R E 添加超高强度铝合金Ni研究发现0合金元素.25wt%的Ni加入后,硬度可达138HB,还可生成Al 7Cu4Ni 沉淀相 前面已经叙述到Al-Zn-Mg-Cu铝合金的超高强度与其时效性密切相关。一般认为该系沉淀相的沉淀顺序为:α(过饱和固溶体)→GP 区→η”→η′相→η相(MgZn2 )。其中GP区域与母相保持共格关系,界面小,弹性应变大;η′为过渡阶段,与基体保持半共格,六方结构,针状,其沉淀强化效果最佳。如果大量生成η相、共格关系丧失、沉淀效果,称为过时效。时效强化机制可分为内应力强化、切割沉淀相强化、绕过沉淀相强化三类。
4.Al-Zn-Mg-Cu 铝合金发展现状
由于缺口敏感性和应力腐蚀严重,Al-Zn-Mg-Cu铝合金从未应用于航空工业。 随着航空航天工业等民用工业的快速发展,对该合金提出了更高的要求,即在保持高延伸率和耐腐蚀性的同时具有更高的强度。通常解决这个问题的有效措施是添加微量元素来改变热处理过程。在国外,美国从20世纪90年代开始T1993年提出了77工艺的进一步研究DSA缓饱和时效处理的概念,DSA对于连续时效处理工艺,本质上是通过程序控制时效温度-时间变化,在合金基体沉淀相晶界中形成特殊的微原子浓度分布,降低晶界与基体的化学电位差,使合金的强度达到更高的水平,同时提高耐腐蚀性。国内汝继刚等人也对铝合金有利DSA(T6′+DS+T6′)经过一系列的研究,发现进吸的处理DSA处理可显著提高超高强度铝合金的强度和综合耐腐蚀性。俄罗斯有着深厚的军事企业基础,因此铝合金的研究也处于世界领先水平。它的生产B95∏与美国7075一样,合金首次应用于飞机行业,具有良好的弯曲成形性能和翻边成形能力。
在合金化学成分调节方面,我国大部分铝合金仍需进口的原因是成分控制不当,无法正确解决熔炉熔化过程中熔渣、环境、成分均匀性等因素。近年来,许多学者提出净化处理,以提高冶金的质量和延伸率。7075 合金锭具有较小的晶粒尺寸和均匀的显微结构,提高铸件和热处理的力学性能,获得良好的固体溶解和及时处理效果,缩短及时处理时间。Zhang等人采用低频电铸造Al-10Zn-2.3Mg-2.4Cu-Zr超高铝合金锭,结果表明,该锭的内应力和塑性成形性能优于普通锭,在加热过程中,锭的内部温度场梯度较小,等温线向上移动。张北江等人改变了电磁场频率,分析了铸造7075铝合金的微观结构和性能,发现电磁场频率的变化显著影响了熔体的凝固组织;频率为30Hz可以最有效地抑制宏观分析,提高铸锭的表面质量。Hz晶粒可以更有效地细化。龚鹏等人采用半连续铸造法,生产的铝合金淬透性能优异400℃预处理左右铸锭可促进第二次Al3Zr均匀分散沉淀,抑制热加工过程中的再结晶,细化晶粒,提高合金工艺塑性。
在热处理方面,特别是在及时性方面,研究及时性过程对7050 合金机械性能及其微组织的影响,开发可应用于大规模生产的及时性处理过程,使国内超高强度7050铝合金的性能达到美国标准,满足中国航空航天工业的需求。因此,国内外许多学者研究了许多及时性过程,包括:控制及时性温度、停车时间、保温时间、多级及时性等方法,并获得了许多机械性能优良的铝合金,提高了耐腐蚀性。张宏伟利用二级及时性研究7075系铝合金,二级及时性为165系铝合金℃、16h7050合金挤压带板的纵横抗拉强度分别可达600 MPa和550 MPa。宁爱林等人发现,回归再时效过程中的再时效可以在短时间内回归过程中产生的晶界无沉淀带,消除合金的预时效,提高合金晶体组织的扩散度。
5.总结及Al-Zn-Mg-Cu铝合金的发展趋势
7075系铝合金作为当代飞机的应力部件,具有比强度高、屈强比大、塑韧性强等优点。它是未来许多行业的支柱结构型材。但目前,7075系超高强度铝合金产业化存在诸多不足。此外,这种铝合金耐腐蚀性差、疲劳强度低等缺点限制了其广泛应用。
今后,普通高强度铝合金应从以下几个方面进行改进和研发:
(1)利用外场(电磁场等)在快凝和铸造过程中开发更高强度的新型超高强度铝合金,增强基体固溶的合金元素;
(2)加强熔炉熔炼技术研究,深化净化技术发展,降低熔池内杂质含量,不可能出现宏观缺陷,减少裂纹膨胀缺陷,提高组织均匀性;
(3)开发铝基复合材料,获得耐腐蚀性好的复合涂料。
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