（材料加工工程专业论文）锌镁比对7085铝合金时效以及淬火敏感性的影响.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：一翩签名弛坳：坐年月严日 硕士学位论文摘要 摘要 超高强( 7 x x x 系) 铝合金具有密度低、强度高、韧性、热加工 性和耐腐蚀性能较好等特点，己广泛应用于航空航天领域，并成为该 领域的主要结构材料之一。而随着航空航天行业的高速发展，对7 x x x 系铝合金大尺寸结构件的需求也越来越迫切，这就要求合金具有较低 的淬火敏感性。7 0 8 5 作为美国2 0 0 2 年研发的最新一代高强铝合金， 其锻件最大厚度已达3 0 0 m m ，现大都作为空中客车a 3 8 0 翼梁和翼肋 的材料。z n 、m g 是其合金中最重要的两种元素，而z n m g 比作为合 金一个的重要参数，不但对本系铝合金的时效行为和综合性能有着深 远影响，对合金的淬火敏感性也有重要意义。本文以3 组z n m g 比 的不同7 0 8 5 铝合金时效以及淬火敏感性的影响为研究方向。通过测 试硬度和电导率时效曲线，显微组织观察，d s c 曲线测定以及激活 能的计算得到了以下结论： 1 ) 确定了1 2 0 时效后的3 组合金中，以较低z n m g 比( z n m g l p , = 2 0 6 ) 的合金硬度值最高。随着合金的z n m g 比的提高，合金内 析出的强化相在数量上存在一定量的差异，导致合金峰值时效时的硬 度会降低。 2 ) 探讨了z n m g 比对合金在1 2 0 时效过程中析出的影响规律。 合金的z n m g 比提高，降低了g p 区与t 17 相的析出温度，导致z n m g 比= 2 7 的1 撑合金在时效过程中g p 区和1 1 相的析出都较z n m g 比 = 2 0 6 的3 撑合金稍微提前。 3 ) 探讨了合金在缓冷过程中出现淬火敏感性的原因。对合金采 用空气淬火时，使t 1 ( m g z n 2 ) 平衡相在慢速率淬火过程中析出，导致 过饱和固溶体中的溶质原子的减少，故合金时效后性能下降，从而出 现淬火敏感性。 4 ) 探明了z n m g 比影响合金淬火敏感性的机理。7 0 8 5 铝合金的 再结晶程度会随着z n m g 比升高而稍微降低，而再结晶程度的减少 可以减少非共格状态的舢3 z r 粒子的数量，降低了合金淬火敏感性。 另外，z n m g 比降低使得3 # 合金中亚晶晶粒中会有t 相的析出而这 在1 舟合金中较少发现，这也是z n m g 比降低会提高7 0 8 5 铝合金的淬 火敏感性的重要原因。 关键字：7 0 8 5 铝合金，z n m g 比，时效，淬火敏感性 a b s t r a c t h i 曲s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y ( 7 x x x ) h a sb e e nw i d e l yu s e di n a e r o s p a c ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h el o wd e n s i t y 1 。 一 一 a n dm g hs t r e n g t h ，g o o d p e r f o r m a n c emt h e r m a lp r o c e s sa n dg o o d c o r r o s i o nr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e n o w , i tw a su s e da st h em a i ns t r u c t u r e m a t e r i a l i na e r o s p a c ei n d u s t r y a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea e r o s p a c e i n d u s t r y , t h es i z eo fs t r u c t u r em a t e r i a lo fa l u m i n u ma l l o yo f7 x x xb e c a m e l a r g e r , s ot h eq u e n c h i n gs e n s i t i v i t yo fa l u m i n u ma l l o yr e q u i r e dt ob e l o w e r a l u m i n u ma l l o yo f7 0 8 5 ，a st h el a t e s tg e n e r a t i o no f h i g h s t r e n g t h a l u m i n u ma l l o yw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h eu n i t e ds t a t e s i n 2 0 0 2 t h em a x i m u mt h i c k n e s so ff o r g i n gw o r k p i e c e so fa l u m i n u ma l l o y o f7 0 8 5w a sa b o u t3 0 01 t 1 1 t i n o wi tu s u a l l yi su s e da st h em a t e r i a lo f w i n gb e a ma n dt h ef i b so na i r b u sa 38 0 t h ee l e m e n t sz n ，m gw e r et h e m o s ti m p o r t a n tt w oe l e m e n t si nt h ea l u m i n u ma l l o y t h ez n m gr a t i ow a s t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rn o to n l ya f f e c t i n gt h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r o f7 0 8 5a l u m i n u ma l l o yd u r i n ga g i n gp r o c e s s ，b u ta l s oh a v i n gi m p o r t a n t e f f e c to nq u e n c hs e n s i t i v i t yo ft h ea l l o y t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tz n m g r a t i o so na g e i n g p r o c e s sa n dq u e n c hs e n s i t i v i t yw a si n v e s t i g a t e db y s t u d y i n gt h r e eg r o u p sa l u m i n u ma l l o yo f7 0 8 5w i t hd i f f e r e n tz n m gr a t i o i nt h i se s s a yb yu s i n gt h eh a r d n e s st e s ta n de l c t r i c a lc o n d u c t i v i t yt e s t ， o p t i c a lm i c r o c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o c o p y ( s e m ) ，( d s c ) s e v e r a lc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 ) t h ep e r f o r m a n c eo f t h et h r e et y p e so fa l u m i n u m a l l o y so f7 0 8 5 w i t hd i f f e r e n tz n m gr a t i o si na g i n g p r o c e s sa t12 0 。0w a ss t u d i e d t h e h a r d n e s so f t h ea l l o yw i t hl o w e rz n m g r a t i o ( z n m g = 2 0 6 ) w a sh i g h e r w i t ht h er i s i n go ft h ez n m g r a t i o ，t h ea m o u n to fp r e c i p i t a t i o no f s t r e n g t h e n i n gp h a s ew a sd i f f e r e n t s ot h eh a r d n e s so ft 1 1 e1 撑a l l o yw i t h h i g h e rz n m gr a t i o ( z n m g = 2 7 ) r e d u c e d 2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ez n m gr a t i oo nt h ep r e c i p i t a t i o no f a l u m i n u ma l l o yo f7 0 8 5i n1 2 0 。cw a ss t u d i e d w i t ht h er i s i n go f t h e z n m gr a t i o ，t h et e m p e r a t u r e so fp r e c i p i t a t i o no fg pz o n e sa n d r l 7 p h a s e b e c a m el o w e r s ot h eg pz o n e sa n d t 1 7 p h a s ei nt h e1 撑a l l o y ( z n m g i i r a t i 0 2 2 7 ) p r e c i p i t a t e de a r l i e rt h a n3 拌a l l o y ( z n m gr a t i o = 2 0 6 ) i na g i n g p r o c e s s 3 ) t h ec a u s eo fq u e n c hs e n s i t i v i t yd u r i n gl o ws p e e dq u e n c h p r o c e s s w a sr e v e a l e d w h e nu s i n ga i rq u e n c h i n g ，1 1 ( m g z n 2 ) p h a s ep r e c i p i t a t e di n t h ea l l o y ；i td e c r e a s e dt h en u m b e ro f s o l u t ea t o m si ns o l u t i o ns o l i d 、h i c h l e dt ot h ed e c l i n eo fp e r f o r m a n c ea f t e ra g i n gp r o c e s s i tw a sa l s ot h e c a u s eo fq u e n c hs e n s i t i v i t y 4 ) e f f e c to fz n m gr a t i oo nq u e n c hs e n s i t i v i t yo fa l u m i n u ma l l o yo f 7 0 8 5w a si n v e s t i g a t e d t h ed e g r e eo f r e c r y s t a l l i z a t i o nr e d u c e dw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ez n m gr a t i o ；t h ed e c r e a s eo fr e c r y s t a l l i z a t i o nc a nr e d u c e t h en u m b e ro f p a r t i c l e s ( a 1 3 z r ) i ti st h ec a u s eo fl o w e rq u e n c hs e n s i t i v i t y o ft h e1 存a l l o y i na d d i t i o n ，t h ep r e c i p i t a t i o no ft p h a s ew a so b s e r v e di n s u b g r a i no f3 牟a l l o yw h i l en o td i s c o v e r e di n1 拌a l l o y t h a tw a sa l s ot h e c a u s eo fi m p r o v e m e n to fq u e n c hs e n s i t i v i t yb yd e c r e a s i n go ft h ez n m g r a t i oo f7 0 85a l u m i n u ma l l o y k e y w o r d s ：a l u m i n i u ma l l o yo f 7 0 8 5 ；z n m gr a t i o ；q u e n c h s e n s i t i v i t y ；a g i n g i 硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s l 】? a c t i i 第一章文献综述1 1 17 x x x 系铝合金牌号定义及应用1 1 1 17 x x x 系铝合金的牌号定义1 1 1 27 x x x 系铝合金的应用2 1 27 x x x 系铝合金的发展2 1 2 1 国外7 x x x 系铝合金发展概述3 1 2 2 国内7 x x x 系铝合金的发展概况5 1 2 37 0 8 5 铝合金的发展6 1 37 0 8 5 铝合金的主要合金成分以及相组成7 1 3 17 0 8 5 铝合金各合金元素的作用7 1 3 27 0 8 5 铝合金的相组成。9 1 47 x x x 系铝合金的热处理工艺1 1 1 4 1 均匀化1 1 1 4 2 固溶与淬火1 2 1 4 3 时效13 1 57 x x x 系以及7 0 8 5 铝合金的淬火敏感性。1 5 1 5 17 x x x 淬火敏感性概述16 1 5 27 x x x 淬火敏感性研究进展1 6 1 5 37 0 8 5 淬火敏感性18 1 6 本文的研究目的，内容以及意义1 8 第二章材料制备和实验方法1 9 2 1 试验方案与流程1 9 2 2 实验材料的制备及处理2 0 2 2 1 合金的熔炼与铸造2 0 2 2 2 铸锭均匀化2 0 2 2 3 轧制2 0 2 2 4 固溶及时效2 1 2 3 性能检测2 1 2 3 1 维氏硬度2 1 2 3 2 电导率2 1 硕士学位论文 目录 2 3 3 晶间腐蚀2 2 2 4 显微组织2 2 2 4 1 金相( o m ) 显微组织。2 2 2 4 2 扫描电子显微组织( s e m ) 2 2 2 4 3 透射电子显微组织( t e m ) 2 3 2 5d s c 分析2 3 第三章锌镁比对7 0 8 5 铝合金时效行为的影响2 4 3 1 试验合金成分及其组织2 4 3 2 锌镁比对时效的性能的影响：2 9 3 2 1 锌镁比对合金时效后硬度值的影响2 9 3 2 2 锌镁比对合金时效后电导率的影响2 9 3 3 锌镁比对合金金相组织( o m ) 的影响3 0 3 4 锌镁比对合金时效后显微组织( t e m ) 的影响3 1 3 4 1 锌镁比对晶界形貌的影响。3 1 3 4 2 锌镁比对晶内析出的影响3 3 3 5 锌镁比对合金时效析出的影响3 4 3 6 分析和讨论3 5 3 6 1 锌镁比对合金组织的影响3 5 3 6 2 锌镁比对合金性能的影响3 6 3 7 本章小结3 7 第四章锌镁比对7 0 8 5 铝合金淬火敏感性的影响3 8 4 1 力学性能3 8 4 2 晶间腐蚀性能3 9 4 3 锌镁比对空冷试样时效组织的影响4 0 4 4 锌镁比对升温过程中”平衡相析出激活能的影响4 1 4 5 锌镁比对合金显微组织的影响4 4 4 6 分析与讨论4 5 4 6 1 淬火敏感性产生的原因4 5 4 6 2 锌镁比对淬火敏感性的影响。4 5 4 7 本章小结4 6 第五章结论4 8 参考文献4 9 致谢5 4 攻读硕士学位期间发表的论文5 5 v 硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 17 x x x 系铝合金牌号定义及应用 近年来，7 x x x 系高强铝合金合金一直作为航空航天业的主要结构材料。其对 航空航天器件质量的减少，空中运载能力和机动性的提高、燃料消耗的降低起到 了非常重要的作用【l 圳。而现在，新一代飞机构件大型化是航天行业发展的趋势， 相应的，制造出超大厚度铝合金结构件也成为了必须的要求。7 0 8 5 铝合金正是在 这种背景下，由美国的a l c o a 锻造产业公司2 0 0 2 年在7 0 5 0 铝合金的基础之上新 开发。7 0 8 5 铝合金相比传统的7 x x x 系高强铝合金，具有淬透性好的显著特点， 更适用于制造新一代飞机大厚度结构件【3 训。 1 1 17 x x x 系铝合金的牌号定义 铝的强度很低，不适合作为结构材料。为了克服a 1 自身的缺点，提高其强 度以及其综合性能，扩大舢的应用范围，大量尝试在铝中加入一些合金元素( 如 z n 、c u 、m g 、s i 等) ，配成具有各种优异性能的铝合金。而一般来说，这些添 加的合金元素，一部分会溶解在铝中形成铝基固溶体，即( 口a 1 ) ，而不溶在铝 中的则一般会形成金属间化合物，而且它们在固态铝中的溶解度( 温度变化而变 化) 是有限的。当形成铝基固溶体时，会对铝合金的压力加工以及锻造更加有利； 如果添加的合金元素所形成得化合物与铝形成共晶体时，可以提高铝合金的流动 性能，这会更加有利于其铸造。根据上述的来对铝合金进行分类( 相图) ，铝合 金可以分为铸造铝合金和变形铝合金两种。 其中，铸造铝合金按照在铝基体当中添加的主要合金化元素，一般可分为 舢s i 系铝合金、a 1 m g 系铝合金、a 1 z n 系铝合金、a 1 c u 系铝合金、a 1 r e 系铝合金等几大类。 而变形铝合金情况要复杂一点，可以根据不同的分类标准则划分： 1 ) 根据其是否能采取热处理的手段来强化变形铝合金的性能，可以将其分 为可热处理强化的铝合金和不可热处理强化的铝合金两类。 2 ) 根据往铝基体中添加的主要合金元素，可将其分为纯铝( 1 x x x 系；铝含 量不小于9 9 o o ) 、a 1 c u 系( 2 x x x 系) 、a 1 m n 系( 3 x x x 系) 、舢s i ( 4 x x x 系) a 1 - m g 系( 5 x x x 系) 、a 1 - m g s i 系( 6 x x x 系) 、a 1 - z n - m g - c u 系( 7 x x x 系) 等。 3 ) 如果按照铝合金的性能以及用途，又可将其划分为高强度铝合金、抗腐 蚀铝合金和超高强度铝合金等几类【5 | 。 按照上述的第2 种分类，7 x x x 系铝合金即为a 1 z n m g c u 系合金。因为添 硕士学位论文第一章文献综述 加这些合金元素后，合金的屈服极限可以达到5 0 0 m p a 以上，以其比强度为标准， 可以与一般的超强度钢( 结构钢的屈服极限强度超过1 3 8 0 m a ) 相媲美。又被 称为超高强度铝合金【6 j 。 合金的牌号( 7 x x x ) 是采用的美国标准，一般牌号( 如7 0 8 5 ) 的第二位字 母“0 表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数( 8 5 ) 表示，牌号的最 后两位数字以标识同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度。 1 1 27 x x x 系铝合金的应用 超高强度铝合金因为其特有的优势：比如具有高的比强度、耐久经济、易于 加工成型、具有较高的韧性以及较好的耐腐蚀性能等，使其被广泛应用于航空航 天工业领域，一般作为制造飞机或者航天器上的结构材料。无论是在军用飞机还 是民用飞机的材料选用上，超高强度铝合金都占据着极其重要的地位，特别是 民用飞机上使用的铝合金，占整个飞机结构材料重量的7 0 , - - - , 8 0 7 1 。a 3 8 0 中 铝合金部件如图1 1 所示： 图1 - 1 空中客车a 3 8 0 的铝合金部件1 3 j 在当今航空航天行业的高速发展时期，对7 x x x 系列大尺寸结构件以及优异 的综合性能的需求越来越迫切。但传统的7 x x x 系铝合金，如7 0 5 5 只有3 8r l l l t l ， 715 0 虽比较理想，其厚度也不允许大于12 0r l l l r l 。而最新一代高强铝合金7 0 8 5 ， 相比7 0 5 0 、7 1 5 0 、7 0 5 5 和7 0 7 5 等，具有高的z n m g 比和低f e ，s i 含量赋予了 其很好的淬透性。现在其锻件最大厚度已可达2 4 0r l l l t l ，现其锻件大都作为空中 客车a 3 8 0 翼梁和翼肋的材料【8 j 。 1 27 x x x 系铝合金的发展 7 x x x 系铝合金具有密度低，强度高，韧性、热加工性和耐腐蚀性能较好等 2 硕士学位论文 第一章文献综述 特点，已广泛应用于航空航天领域，并成为该领域的主要结构材料之一【9 】o 对其 的研究一直都被国内外学者所重视。 1 2 1 国外7 x x x 系铝合金发展概述 早在2 0 世纪初期，德国的科学家桑德尔( w s a n d e r ) 和麦纳斯( k l m e i s s n e r ) 在对舢z n m g 合金的研究中发现其经过固溶、淬火、再经过时效后会具有比较 高的强度。这为后来持续不断的研究并开发出新的具有更加优异性能的7 x x x 系 铝合金提供了基础。在随后的1 9 3 2 年，韦伯( k j w e b ) 又提出了一种舢z n m g c u 铝合金( 其成分为a 1 1 0 z n 2 c u 2 m g 1 m n ) ，该铝合金是第一种以 舢z n m g c u 为基的高强铝合金。在这一时期，为了改善应力腐蚀抗力尽管在 砧z n m g c u 合金中添加了1 的m n 等一些合金元素，但效果并不是很明显。 致使该合金因为其应力腐蚀敏感性过高的问题而未得到广泛应用【l o 】。 1 9 3 9 年，五十岚( 日本) 将铬元素( c r ) 加入到7 x x x 系铝合金中( 合金成 分为触7 5 z n 1 5 m g 2 c u 0 6 m n 0 2 5 c r ) ，从而开发了超硬铝合金 ( e s d ) 。该合金具强度高以及抗应力腐蚀性能较好等特性，因此e s d 被首次应用 在飞机上。 各国以e s d 合金为基础进行研究，之后又相继开发了一批含有少量铬的 7 x x x 系铝合金【l 卜1 2 j ：1 9 4 3 年，美国就在对e s d 合金进一步研究的基础上，开发 出了7 0 7 5 合金，并第一次将其应用在了b 2 9 轰炸机上，这在当时给予飞机的结 构和性能上的变化是极其巨大的，具有划时代的意义。同时，7 0 7 5 铝合金的产 生以及应用也为超高强铝合金的在以后的发展中起到了基础性的作用【1 3 1 。1 9 5 4 年，美国又开发了强度更加高的7 1 7 8 t 6 5 1 合金，该合金与7 0 7 5 铝合金铝合金 相比，提高了合金中锌( z n ) 、镁( m g ) 、铜( c u ) 的含量而具有更加高的合金 化程度，但是虽然7 1 7 8 铝合金的强度高于7 0 7 5 合金，却因为其断裂韧性实在太 差，所以无法在波音7 4 7 上得到应用，无法作为7 0 7 5 t 6 5 1 合金代替合金。在同 一年，7 0 7 9 合金被开发出来，起初因为其具有优越的抗应力腐蚀性能，最初被 应用于b 5 2 轰炸机上，成为制造其起落架的材料，但后来在实际应用当中发现 其耐腐蚀性能较差，容易在大气腐蚀条件下容易被腐蚀，导致其从航空航天行业 中被淘汰，成为了历史。另外，在这同一年里，具有与7 0 7 9 合金类似特性的合 金7 0 0 1 也被开发出来，同样也未被应用。 在6 0 年代，合金纯净化技术在美国对7 x x x 系铝合金得到了应用，使用该手 段可以降低了合金中的杂质含量( 如f e 、s i 等的含量) 。通过在7 0 7 5 合金上使 用这项技术，加之又采用控制与调整7 0 7 5 合金中c r 、m n 、c u 的含量等手段， 使得合金的断裂韧性得到了提高，并为这种研制出新合金申请了的牌号7 4 7 5 1 4 】 硕士学位论文 第一章文献综述 专利。之后，又对7 0 7 5 合金基础之上，通过采取一系列的手段：如增加合金化 元素的含量和控制c u m g 比值；添加新的z r 替代以前的c r 等等。使合金的综 合性能大幅度的提高。新合金与7 0 7 5 相比，合金强度得到提高，淬火敏感性也 得到降低，该合金牌号为7 0 5 0 ，于1 9 7 1 年申请了专利保护。7 0 5 0 铝合金具有高 强度、优异的断裂韧性和较好抗应力腐蚀性能，在飞机上得到了广泛的应用。 1 9 7 8 年通过在7 0 5 0 的基础上进一步调整主要合金的成分以及进一步减少杂 质含量使合金纯净化，又开发出了7 1 5 0 合金，该铝合金与7 0 5 0 相比，具有更加 优异的韧性以及抗剥落腐蚀性能。因其这些性能上的改善，该合金的应用范围也 相当的广泛，多被用于制造飞机的机翼结构件，如波音系列、空中客车a 3 0 1 以 及m d 1 1 等上就是使用该合金。 1 9 9 1 年，一种牌号为7 0 5 5 的铝合金作为新成员加入到了7 x x x 系列铝合金 家族中。该合金为美国的a l c o a 公司在7 1 5 0 铝合金的基础上所开发的，是目前 合金化程度最高的铝合金。相比7 1 5 0 ，其成分具有s i 、m n 等一些合金元素的含 量进一步减少，z n m g 比值提高等特点【l5 1 。配合相应的最新的三级时效( r r a ) 制度，7 0 5 5 的强度得到很大程度的提高。经过r r a 处理的7 0 5 5 铝合金强度比 7 1 5 0 合金的t 6 态强度要高约1 0 ，而相对于7 0 7 5 合金的t 6 态更高( 约2 5 ) 。 目前其r r a 状态的合金多用于制造波音7 7 7 客机的机翼析条、上翼蒙皮等结构 件。 7 x x x 系合金除了在美国得到不断的的研究与开发，其重要性在前苏联也受 到极大的重视：在2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代的这一段时间里，前苏联就一直着 力于该系列合金的研究，并且具有很好的成果，开发出了大量牌号的 a 1 z n m g c u 系铝合金，其中很多合金都具有良好的综合性能【l 刨。b 9 5 合金是前 苏联最早研制成功的砧z n m g c u 系超高强铝合金，其诞生于1 9 4 8 年。在之后 的1 9 7 1 年，又在b 9 5 的基础上通过降低f e 、s i 含量，开发出了b 9 3 n v 、b 9 5 0 q ( 其中n q 表示高纯；d q 表示特高纯) 两种合金，这两种合金直到现在仍然应 用在苏2 7 和苏3 0 飞机之上，成为制造飞机结构件的材料；前苏联在1 9 5 6 年， 将c r 作为合金元素，被首次添加在a 1 z n m g c u 系合金中，因其高程度合金化 而获得高强度特性的合金b 9 6 n 被开发出来。在b 9 6 u 基础之上，新合金b 9 6 华1 合金在1 9 6 8 年被开发出来，它具有更低的杂质的含量( 主要是f e 元素的降低) ， 又新加入了合金元素锰( ) ：在之后( 1 9 7 0 年) 又通过减少杂质的含量( f e 和s i ) ，同时减少z n 、m g 、c u 等元素的含量，开发出了新合金b 9 6 4 ，该合金 相比b 9 6 w j 合金虽然强度稍稍降低但塑性得到了显著的提高。另外，前苏联于 19 5 7 年开发了b 9 3 合金，随后在其基础上进行成分改进的b 9 3 n 。合金也被开发 出来。 4 硕士学位论文第一章文献综述 随着航天行业对结构件的尺寸要求越来越大，对新合金的开发也成为了重 点，在这种背景下，一种牌号为7 0 8 5 新超高强合金于2 0 0 2 年在美国诞生，它相 比之前7 0 5 0 、7 1 5 0 、7 0 5 5 和7 0 7 5 ，具有较高z n m g 比和更低f e ，s i 含量，这 些成为调控的手段使其具有超越以前所有7 x x x 系铝合金的淬透性。使得7 0 8 5 铝合金具有更加大的应用前景【3 刮。 由上述可以知道7 x x x 系铝合金从2 0 世纪初期开始研究一直发展到现在，得 到了各国的重视，不断地发展，现在其成员( 合金牌号) 已经相当多了，表1 1 列出了一些重要的铝合金的成分及其发明的时间。 表1 - 1一些主要的7 x x x 系铝合金合金成分( a l ，b a l ) 及其开发时间( 年) 1 2 2 国内7 x x x 系铝合金的发展概况 我国对7 x x x 系铝合金的研究开发起步较晚，且超高强铝合金研究有许多属 于仿制性质，自行开发合金较少( 如与7 0 7 5 相近的7 a 0 4 ，与7 4 7 5 相近的7 8 0 4 。) 。 我国曾经主要仿制过研究的a 1 z n m g c u 系铝合金有：7 0 7 5 ，7 0 2 2 ，7 0 0 1 ，7 1 7 5 ， 7 4 7 5 ，7 0 5 0 ，7 1 5 0 ，7 0 5 5 ，b 9 5 ，b 9 6 等【1 7 18 1 。 1 9 8 0 年以后，我国就开始了对a 1 z n m g c u 系高强高韧铝合金的研制。现 有的一些7 x x x 系铝合金，如7 0 7 5 ，7 1 7 5 这些牌号比较老的铝合金已经在我国实 现了工业化生产，并也得到了应用，被用于制造飞机的结构件。 在2 0 世纪9 0 年代，北京的航空材料研究对如何使用常规半连续铸造法制造 超高强铝合金7 a 5 5 进行了大量研究工作，并获得了成功【l9 1 ，初步掌握了7 a 5 5 合金的熔炼与铸造、热加工以及后续热处理等工艺。近年来，强度更高的7 a 6 0 合金又得到了开发口0 | 。在国家的极度重视以及给予巨大的支持下，喷射成形的 方法也被利用制造超高强铝合金，北有色和东北轻合金加工厂采用该方法，仿造 硕士学位论文 第一章文献综述 合金牌号为b 9 6 u ( 俄罗斯) 合金成分，成功试制了自己的7 x x x 系超高强铝合金， 另外也尝试了用该方法研制具有更高锌含量的7 x x x 系超高强铝合金。目前，成 果显著：大大提高了所研制出的合金的抗拉强度，分别提高到了7 5 0 - - 7 8 0m p a 和6 3 0 , 6 5 0 m p a 、而延伸率也分别能够达到8 - 1 0 和4 - - 7 。通过国家大量的 投入，使得我国的航天航空材料的研发水平基本上与国外上世纪九十年代中期的 水平类似。 在我国的九五期间，国内从事该领域研究工作的一些单位又开展了高程度合 金化超高强铝合金的研制，其中值得一提的是低频电磁半连续铸造这项技术。现 在，该技术己日趋成熟并且已经申请了专利。其与国外的高频、中频或工频电磁 铸造等技术相比，可以对合金起到细化晶粒的作用、也改进了合金的表面质量、 另外合金中常出现的开裂问题也得到了抑制，除了上述积极作用，该技术还可以 从很大程度商提高合金的溶质元素的固溶度。这为我国自行制备具有更加高程度 合金化的7 x x x 系超高强铝合金提供了基础。通过对这项技术的长时间持续的研 究，我国现在已经能成功试制出多种规格与尺寸的超高强铝合金的挤压材、锻件 等。目前，喷射成形的超高强合金的强度已经达到或超过8 0 0 m p a 了，延伸率也 可以保证在1 0 左右：另外，也基本掌握了t 7 3 、t 7 4 和t 7 6 等热处理工艺流程 以及工艺参数，并在实际生产过程中得到了一定的应用【2 l - 2 2 1 。 我国的航空航天工业经过多年的努力，已经具有相当的规模，具备了一定的 独立设计和制造航空器( 军用以及民用) 的能力。但我国飞机用先进材料技术与 世界发达国家的仍然有较大的差距，目前仍只能大量使用2 0 2 4 和7 0 7 5 合金，这 些合金美国在上世纪5 0 年代注册的( 主要是因为专利权问题，尤其是最新开发 的合金) ，由此与国外的差距可见一斑。为了缩短这种差距，我国航天航空工业 迫切要求将最新自主开发的7 x x x 系制品用于新一代飞机上。对于如何生产出大 量性能优异的7 x x x 系列铝合金结构材料，尤其是生产工艺和热处理工艺等关键 性的技术问题需要研究以得到解决。尤其随着近几年国家大飞机项目的启动，传 统的7 x x x 铝合金已经不能满足要求。而对最新一代，能满足制作大结构的7 0 8 5 铝合金的研究我国还处在起步阶段，很多基础的研究都少见报道，存在的严重的 落后。 1 2 37 0 8 5 铝合金的发展 2 0 0 2 年，在飞机所需要的铝合金日渐大型化的发展趋势下，美国a l c o a 公司在在7 0 5 0 铝合金的基础之上，通过提高z n 元素的含量，降低m g 、c u 元 素的含量、提高锌镁比并大幅度降低了f e 、s i 杂质等手段开发出了7 0 8 5 铝合金。 这些成分特点使其相对传统的7 x x x 系铝合金，淬透性上更加优异，其锻件现在 6 硕士学位论文 第一章文献综述 一般都作为空中客车a 3 8 0 以及a 3 5 0 上的翼梁和翼肋【3 圳。 作为最新一代的铝合金，7 0 8 5 成为最近的研究热点。北京航空航天大学何 晶【2 3 j 等人采用c a l p h a d ( c a l c u l a t i o no fp h a s ed i a g r a m ) 方法研究了7 0 8 5 合金的 m g 元素含量对其合金相组成的影响规律；邓运来【2 4 】等利用端淬实验，对不同淬 火深度的试样进行了性能测试和显微分析研究了m g 含量对7 0 8 5 铝合金的淬火 敏感性的影响规律；梁信【2 5 】等人采用温度范围为3 5 0 - 4 5 0 的恒应变速率热压 缩实验来模拟工业锻造过程，研究了变形温度对7 0 8 5 铝合金锻件的显微组织、 力学性能、剥落腐蚀性能以及应力腐蚀性能影响；陈送义等人【2 6 】研究了不同的 时效制度( 认、t 6 等) 对7 0 8 5 铝合金强度、剥落腐蚀性能以及电化学特性的 影响；许晓静等人f 2 7 】在7 0 8 5 铝合金中添加了微量的s r ，并对其晶间腐蚀性 能和剥落腐蚀性能进行了研究。 1 37 0 8 5 铝合金的主要合金成分以及相组成 7 0 8 5 合金的组织对其性能起着决定性的作用。而作为其合金中的主要合金 成分，元素a l 、z n 、m g 和c u 以及添加的微量元素含量对合金的相组成( 即 合金的组织) 具有重要意义；另外，a 1 z n m g c u 系铝合金是可时效强化合金， 是通过在时效过程中的析出而获得高强度以及其他优异的性能的。 1 3 17 0 8 5 铝合金各合金元素的作用 7 0 8 5 铝合金的主要合金成分如下表1 1 中所示，下面对7 0 8 5 铝合金的各合 金元素以及对合金组织性能的作用做详细说明： 1 ) 锌( z n ) 和镁( m g ) 一般对于7 x x x 系合金来说，合金中主要第二相相为m g z n 2 相、t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) 相以及s ( a 1 2 c u m g ) 相。工业生产的a 1 - z n - m g c u 系合金成分，常处在 6 【( a 1 ) + 致m z i i m g c u ) ，a ( 越) 斗议a 1 2 c u m g ) + t ( a 1 z n m g c u ) ， a ( m ) + ( m g z n 2 ) + t ( a 1 2 m g a z n 3 ) 或a ( a 1 ) + ( m g z n 2 ) 蟠( a 1 2 c u m g ) + t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) 个 相区的交界附近【2 8 2 9 1 。 z n 和m g 是7 0 8 5 铝合金的主要合金元素，其含量分别为：z n 含量 7 ， c u 含量 1 ，m g 含量 1 ，( 嘶) z n m g 比 3 。其合金化程度比较高，一 般在铸造过程中会存在t ( a 1 z n m g c u ) 相+ a ( 舢) 的共晶组织。另外，z n 元素和 m g 元素会在7 0 8 5 铝合金中结合形成m g z n 2 相。因为m g z n 2 相具有一个重要的 特性：在淬火的过程中，温度会降低，而合金当中的m g z n 2 溶解度则相应的发 生急剧的下降：从共晶温度下的2 8 下降到室温下4 - - 5 ，这也是其具有很强 的时效强化效应的原因【30 1 。 7 硕士学位论文 第一章文献综述 由于上述的特性，使得锌( z n ) 与镁( m g ) 成为了控制7 0 8 5 铝合金时效硬化过 程的关键元素，而其他的元素( 如c u 、z r 等) 仅起附加作用冽。控制7 0 8 5 铝 合金中的z n 、m g 含量，对合金时效强化作用具有重要的影响。提高合金中锌元 素( z n ) 和镁元素( m g ) 的含量，才会使得经过固溶、淬火后