2012CB619500-G航空高性能铝合金材料的基础研究.Doc

项目名称：航空高性能铝合金材料的基础研究首席科学家：张新明 中南大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：湖南省科技厅 教育部一、关键科学问题及研究内容3.2 主要研究内容3.2.1 三类高性能铝合金的成分与组织模式设计本项目以调整铝合金主成分设计方向为突破口，增加高固溶度元素含量，降低低固溶度元素含量，消除恶化综合性能的残余结晶相，并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，创新设计新一代高性能铝合金成分，确立高强高韧高淬透、超强高韧耐蚀、中强高耐损伤的多相适配微结构模式，形成三类铝合金原型，为此需要开展下列研究工作，重点研究解决科学问题1（新型高淬透性过饱和固溶体与第二相的形成、演变及其强韧化作用）和科学问题2（复杂环境下铝合金耐损伤、抗腐蚀多相微结构的适配模式设计与调控机理）。（1） 高强高韧高淬透性铝合金成分与组织模式设计l 研究Al-Zn-Mg-Cu系高Zn、低Cu、低Mg富铝区的相平衡与温度和成分的关系。l 研究Al-Zn-Mg-Cu系合金析出转变动力学成分关系，确立淬火温区稳定、时效温区析出成分区域。l 研究高强铝合金淬透性和析出强韧化与成分的关系，设计高淬透高强高韧的新型铝合金成分。l 研究过渡族和稀土元素影响共格相界向非共格相界转变的规律及机理、新型弥散相影响再结晶的规律及机理。l 研究淬火界面形核析出规律、多相界面协同调控淬透性与强韧性的作用，确立高淬透高强高韧的多相适配微结构模式。（2） 超强高韧耐蚀铝合金成分与组织模式设计 l 研究Al-Zn-Mg-Cu合金高Zn、低Cu、低Mg富铝区主成分对析出第二相及其与基体电位差、极化行为的影响规律，设计新型超强铝合金主成分。l 研究过渡族与稀土元素复合添加对Al3Zr晶体结构及热稳定性的作用规律，确立新型多元弥散相，设计超强铝合金的微合金化成分。l 研究新型多元铝化物共格弥散相抑制铝基体再结晶作用规律，揭示共格弥散相对强韧性和耐蚀性的影响规律及机理。l 研究基体晶界和第二相对耐蚀性和强韧性的协同作用及机理，确立超强高韧耐蚀的多相适配微结构模式。（3） 中强高耐损伤铝合金成分与组织模式设计 l 研究合金主元素（Cu、Mg、Li）与微量元素（Er、Zr）对耐损伤性能的影响规律与机理，设计新型耐损伤铝合金的成分。l 研究诱导裂纹偏转的耐损伤组织与织构组态及其形成机理，探明提高耐损伤性能的基体组织模式。l 研究第二相种类（初生相、弥散相、沉淀相）、状态（共格、半共格、非共格）、形貌（球状、条状等）与分布对耐损伤性能的影响规律与模型，揭示多类第二相提高疲劳裂纹扩展阻力的协同机制。l 研究耐损伤特征第二相及界面结构的适配模式，发展耐损伤组织模式设计理论。3.2.2 三类高性能铝合金材料的均匀制备为了突破大飞机急需的大规格高性能铝合金材料均匀制备技术瓶颈，本项目从成分和制备过程多种物理场两个方面协同调控宏/细观组织性能均匀性，形成高性能铝合金材料的成分与多场协同调控制备理论。发展三类高综合性能铝合金材料制备原理与方法。为此需要开展下列研究工作，重点解决科学问题3（材料组织与性能宏/细观均匀性的制备多场调控规律及机理）。（1） 高性能铝合金铸锭及均匀化热处理组织与成分的宏/细观不均匀性及其调控 l 研究高性能铝合金在半连续大规格铸锭组织、成分的宏观不均匀性及其形成规律，揭示冶金过程的传输（传热、传质、动量传递）非均匀性形成机理。l 利用超声铸锭的前期研究基础和工程化研究平台，研究高性能铝合金在超声外场下温度过冷和成分过冷特性，揭示合金成分凝固过冷超声外场的关系及机理，寻求成分与超声外场协同调控铸锭组织与成分宏/细观均匀性的方法。l 研究高性能铝合金大规格铸锭组织、成分的宏/细观不均匀性对淬透性、强韧性、耐蚀性、耐损伤性能的影响规律，揭示大规格铸锭组织、成分遗传影响规律。l 研究均匀化热处理对共格弥散相晶内/晶界细观均匀分布的调控作用规律与机理，建立调控方法。（2） 高性能铝合金形变组织的宏/细观不均匀性及其调控 l 研究非对称内剪切轧制（龙形轧制）应力应变分布规律，建立龙形轧制稳态剪切变形调控方法。l 研究龙形轧制剧烈内剪切变形条件下的晶粒分裂和第二相破碎机制、晶界特性、111织构形成机理，形成龙形轧制组织、织构调控原理与方法。l 研究龙形轧制对韧性、耐蚀性、抗疲劳、耐损伤性的影响规律，探明龙形轧制应力场、温度场对形变组织与性能宏/细观均匀性的调控作用。l 研究大压下量控温轧制形变对基体晶粒形状、织构不均匀性的影响规律和机理，确立超厚截面材料强变形组织均匀性的多场调控方法。（3） 高性能铝合金热处理组织的宏/细观不均匀性及其调控 l 研究多级固溶对厚截面材料回复/再结晶组织细观不均匀性的调控作用规律与机理，确立调控晶界角度分布的固溶热处理方法，l 研究厚截面材料淬火非均匀换热的时间与空间分布对组织和性能宏/细观不均匀性的影响规律与机理，确立淬火过程中快速均匀冷却调控原理与方法。l 研究厚截面材料淬火非均匀温度场与第二相析出动力学效应对多相组织宏/细观不均匀性的耦合影响规律与机理，研究界面传热对淬火残余应力的影响规律，建立保证不同厚度材料淬透与残余应力最小的调控方法；l 预变形（拉伸、压缩）对消减残余应力的影响规律，建立调控方法。l 研究厚截面材料多级积分时效非均匀温度场与高温回归动力学效应对多相组织宏/细观不均匀性的耦合影响规律与机理，确立多相适配微结构宏/细观均匀性的调控原理与方法。二、预期目标4.1 总体目标调整铝合金体系主合金元素总含量不断提高的原有设计方向，设计新的主合金成分，引入微量元素，发展高性能铝合金成分与多相适配微结构的设计理论，形成三类铝合金材料原型；发展高性能铝合金大规格材料宏/细观均匀性调控方法，突破制备技术瓶颈，为制备出大飞机工程急需的高性能铝合金材料提供指导。形成高性能铝合金的研究队伍与基地；支撑我国航空工业的持续发展，并可应用于其他战略性新兴产业。4.2 五年预期目标创新发展宏/细观组织性能均匀的优异特征性能铝合金成分设计与制备理论，发展高强高韧高淬透性、超强高韧耐蚀、中强高耐损伤三类新型铝合金；发展高性能铝合金组织与性能宏/细观均匀性的调控方法，制备航空重大工程急需的高性能铝合金材料；满足国家航空制造产业对高性能铝合金的重大需求。1）理论目标（1） 发展以合金元素固溶度为准则，基于原子交互作用、相平衡和析出转变的高性能铝合金成分设计理论。（2） 发展基于基体、第二相及晶界结构差与电位差的耐蚀多相适配微结构模式设计理论和方法。（3） 发展基于多尺度第二相、相界与位错交互作用的耐损伤多相适配微结构模式设计理论和方法。（4） 发展高性能铝合金材料组织与性能宏/细观均匀性的成分与多场协同调控理论和方法。2）技术目标（1） 形成高强高韧高淬透性新型铝合金原型，韧性比现有材料水平提高20%以上（2） 形成超强高韧耐蚀新型铝合金原型，耐应力腐蚀性能关键指标比现有材料水平提高30%以上。（3） 形成中强耐损伤新型铝合金原型，耐损伤性关键指标比现有材料水平提高25%以上。（4） 研制大飞机急需的三类典型高性能铝合金材料。性能达到国外同类材料的水平，三维方向上性能差异10%；可广泛用于航空航天、交通运输、武器装备等领域。3）论文专著、专利与获奖发表论文200篇，其中SCI、EI源刊物150篇，专著23本，申报专利2030项，获省部级以上奖励23项。4）人才与基地培养出一批中青年学术带头人，造就一支队伍，建设高性能铝合金材料创新研发基地，提升我国高性能铝材研发的创新能力。三、研究方案5.1 学术思路我国大飞机所需的高性能铝合金材料目前存在的主要问题是综合性能和均匀性不能满足设计要求。原有铝合金体系主合金元素含量不断提高，低固溶度元素含量过高，难以彻底溶于铝基体，残余结晶相多，过饱和固溶体淬火过程中易分解，降低时效强化效应，导致强度与淬透性、韧性、耐蚀性、耐损伤性之间的矛盾突出，并且随着材料规格的增大，组织与性能宏/细观不均匀性愈益显著。本项目解决这些问题的总体思路是：在我们前期对铝合金体系主合金成分调控与微量元素作用研究的基础上，以合金元素固溶度为准则，调整主合金元素含量不断提高的原有设计方向（如降低铜含量），并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，寻求并确立新的多元过饱和固溶体与第二相，设计新型高性能铝合金的主合金成分和微合金成分；并在新的固溶体（基体）和第二相的基础上，研究高淬透性、高韧耐蚀、高耐损伤的多相微结构形成与演变规律和调控方法，确立高性能铝合金的多相适配微结构的最佳模式，形成新型高性能铝合金的原型。在创新设计与优化合金成分的基础上，揭示合金成分和多种物理场对凝固、塑性加工、热处理多相组织宏/细观均匀性的交互作用规律和机理，发展高性能铝合金材料组织与性能宏/细观均匀性的调控方法，突破大规格高性能新型铝合金材料的制备瓶颈。5.2 技术途径针对三类不同强度级别合金的成分与多相微结构设计和三类材料组织与性能的宏/细观均匀性调控，本项目的技术途径是：新型合金成分设计（包括大飞机急需材料的成分优化设计） 实验室小试 工程化平台中试 产业转化。基本出发点是设计新的主合金成分，并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，形成析出可控的新型过饱和固溶体和第二相，确立发展高性能铝合金的新途径。1）发展高强高韧高淬透性铝合金的技术途径我们前期研究发现，在Al-Zn-Mg-Cu系合金元素总量不变的情况下，采用高Zn或低Mg或低Cu的主合金成分调控方法，调控固溶过程的再结晶宏/微织构组态，能使该类合金在具备超高强度的同时，获得较高韧性和淬透性指标，获得了发明专利，这为本项目开展新型高强高韧高淬透性铝合金的研究打下了重要的基础。本项目的技术途径：改变Al-Zn-Mg-Cu合金体系提高主合金元素总量增加第二相强化效应的设计方向，采用降低Cu/Mg、提高Zn/Mg的合金化方向设计新型合金的主成分，改变合金体系的多相平衡与相变特征；引入特定微量元素，形成新型多元铝化物共格弥散相，影响时效析出早期溶质原子团聚行为；基于新的主合金成分与微合金化成分设计高强高韧高淬透性铝合金体系。通过研究，探明该合金系中Zn、Mg、Cu主合金元素总量及Cu/Mg、Zn/Mg对凝固相平衡、铸态和固溶态导热性的影响规律，为外场熔铸调控铸锭成分与组织均匀性、淬火调控厚截面材料淬透深度提供基础数据；揭示新型多元铝化物共格弥散相调控过饱和固溶体小角度晶界分布特性、进而影响析出行为的规律与机理，探明特定微量元素的固溶原子对时效析出早期溶质原子团聚及析出序列的影响规律与机理，探索微量元素调控析出行为的新途径；揭示新型过饱和固溶体的析出强化相、新型多元铝化物共格弥散相和晶界/亚晶界组态对强韧性能的影响规律；综合上述基于新型过饱和固溶体和析出相形成及其强韧化作用机理的研究结论，设计新型高强高韧高淬透性铝合金的成分和组织模式，突破Al-Zn-Mg-Cu系合金的强韧性和淬透性指标，形成具有自主知识产权的高强高韧高淬透性铝合金原型。同时为研制成功大飞机急需的厚截面大规格铝合金材料所需解决的成分优化方向、组织与综合性能调控方法提供指导。2）发展超强高韧耐蚀铝合金的技术途径前期对Al-Zn-Cu-Mg超强铝合金的研究发现，降低铜含量可以减少残余凝固共晶相（Al2CuMg相），提高铸造性能和材料韧性，为发展具有良好铸造性能的超强高韧耐蚀铝合金找到了突破口。此外，探索了微合金化元素对超强铝合金的作用，发现了可有效抑制基体再结晶的新型多元共格弥散强化相，可同时提高强韧性、耐蚀性；发现热处理调控晶界析出相Cu含量可提高耐蚀性，并获得发明专利。这些发现为本项目开展新型超强高韧耐蚀铝合金研究提供了基础。本项目的技术途径：调整主合金成分设计，降低铜含量，基于高Zn、低Cu合金化方向设计合金的主成分；基于新型多元铝化物共格弥散相，设计多元微合金化超强铝合金。通过研究，揭示降低Cu含量改善超强铝合金铸锭塑性加工固溶处理工艺性能的作用及机理；探求Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金的Zn、Mg、Cu主合金成分对强韧性和耐蚀性的影响规律；研究高Zn、低Cu超强铝合金晶内晶界时效析出相的特征及多级时效调控方法，协调强韧性和耐蚀性，发展具有良好工艺性能的超强高韧耐蚀铝合金原型。研究新型多元共格弥散相对超强铝合金基体的共格强化及亚晶组织的强化效应；研究超强铝合金的晶界（亚晶界）结构特征对断裂腐蚀过程的影响及机理；研究多元铝化物共格弥散相抑制超强铝合金基体再结晶、保留的形变回复微取向亚晶组织、减少大角度晶界，提高断裂韧性和耐蚀性的作用规律，确立同步提高合金强度、韧性和耐蚀性的途径。基于多元微合金化形成共格弥散相产生的强化、韧化、抗腐蚀的作用规律，设计和优化多元微合金化超强铝合金的成分和组织模式，突破超强合金的强韧耐蚀性能，形成具有自主知识产权的超强高韧耐蚀铝合金原型。同时，指导大飞机急需的超强高韧铝合金材料的成分优化与组织性能调控。3）发展中强高耐损伤铝合金的技术途径我们前期研究发现，减少杂质（Fe、Si）相，调整Fe/Si，降低Al-Cu-Mg体系中Cu含量，减少凝固共晶相和热处理过剩相，可以减少疲劳裂纹萌生几率；微合金化形成与基体共格的弥散相保持形变回复亚晶组织，形变热处理改善析出相的分布均匀性，可以有效提高疲劳裂纹扩展阻力。这些认识为本项目开展系列新型高耐损伤铝合金的研究提供重要基础。本项目的技术途径：在Al-Cu-Mg系中强耐损伤铝合金（如2524或2E12）合金基础上，基于降低Fe/Si、降低Cu含量的方向优化设计主合金成分；基于过渡族和稀土微量元素（Zr、Er、Sc）等进行微合金化；设计新型中强高耐损伤铝合金的成分。通过研究，探明Fe/Si变化对杂质相、未溶相的形成及疲劳裂纹萌生与扩展的影响规律和机理，探明共格弥散相在大塑性变形与反复软化、固溶热处理过程中的稳定性，揭示Al-Cu-Mg合金系中多级析出亚稳结构在交变载荷与温度条件下的演变对抗疲劳裂纹扩展性能的影响规律与机理；确立高耐损伤适配多相微结构模式与形成新方法，提升合金的耐损伤性能。为发展高比强高比模高耐损伤铝合金，大幅度降低铜含量，引入Li等新的合金化元素，由Al-Cu-Mg体系向Al-Mg(Cu)-Li-X新体系发展。基于降低杂质元素总量和Fe/Si设计新型合金的杂质控制方向；基于降低铜含量、提高Mg含量，引入Li等新的合金化元素设计主合金成分，与2524相比，将密度降低35%；基于Er、Zr、Sc等新型多元铝化物共格弥散相，设计新型低密度高耐损伤容限铝合金的主成分与微合金化成分。通过研究，揭示多外场（应力场、温度场、电场）协同作用下原子间的交互作用，溶质原子团簇对主强化相诱发形核的作用及纳微结构演变机制，探索价电子结构与材料耐损伤容限关键性能的相关性，为铝合金耐损伤性能的提升提供深层次的理论指导；探明时效诱导微第二相析出机理及多相复合强韧化效应，探明形变诱导高损伤特征微观结构形成机理及对裂纹扩展的抑制效应，揭示新型低密度铝合金多类析出相的微观电化学特性与耐蚀性、疲劳裂纹萌生、扩展的相关性规律与机理，寻求新型铝合金高耐损伤多相适配微结构模式；大幅度突破现有铝合金的耐损伤性能，形成具有自主知识产权的低密度高耐损伤铝合金原型，满足我国发展多种特性功能飞机所需低密度高耐损伤铝合金材料的需求，同时为研制成功大飞机急需的中强高耐损伤铝合金材料所需解决的组织与综合性能调控方法提供指导。4）提高高性能铝合金材料组织与性能宏/细观均匀性的技术途径前期研究表明，降低Al-Zn-Mg-Cu系和Al-Cu-Mg系合金中Cu元素含量可以减少残余共晶相和非平衡结晶相（如Al2CuMg、Al2Cu），不仅能改善铝合金材料的加工性能，而且能提高最终材料的细观组织均匀性；采用外场熔铸不仅可以改善凝固组织及成分的宏/细观均匀性，而且能降低大规格铸锭开裂倾向。铝合金成分变化引起的冶金遗传效应与多外场作用影响大规格材料宏/细观组织与性能均匀性的这些探索结果，为本项目开展高性能航空铝合金材料宏/细观均匀性调控研究打下了良好的基础。本项目的技术途径：在高强高韧高淬性、超强高韧耐蚀与中强高耐损伤铝合金成分创新设计和优化设计的基础上，研究成分对大规格（厚截面板材与锻件、中厚板、薄板，型材等）铝合金材料组织均匀性的影响规律，基于我国不断提升的高性能铝合金材料制备工装平台（如铝合金高纯净化新平台、4300轧机、12000吨拉伸机等），研究制备全过程中多种物理场变化规律与均匀性调控方法及其对组织、性能均匀性的影响规律与机理，制备全过程关键节点如图8所示。图8 高性能大规格铝材均匀制备全过程的关键节点无论是本项目所需研究的三类新型铝合金原型，还是大飞机工程急需的三类铝合金材料的均匀制备原理与方法的研究都会经历图8中各关键节点，在研究的具体实施过程中，将结合材料的不同性能特征和不同厚度特征，各有侧重地研究上述关键节点的原理与调控方法。例如，三类铝合金材料制备需要解决大规格质铸锭的问题，但相对而言，厚截面高强高韧高淬透性材料制备对均质无裂纹大规格铸锭的需求更加迫切。将利用超声铸锭的前期研究基础和工程化研究平台，重点研究高强高韧高淬透铝合金在超声外场下凝固特征与组织遗传特性，研究合金成分-凝固过冷-超声外场的关系及机理，建立消减超大规格铸锭组织与成分的宏观不均匀性及残余共晶相、非平衡结晶相、杂质相等组织细观不均匀性的超声铸锭调控原理与方法。针对超强铝合金中厚板需采用多级回归再时效调控晶界析出相成分（电位）、大小、形态与分布的特点。将重点研究多级时效时效的相关基础问题，如详细展开研究超强铝合金第二相高温回归的相变动力学积分效应对多相组织性能的影响规律与机理，为多级积分时效提供依据；揭示升温、降温过程的温度场调控强化相析出的宏/细观均匀性的作用规律，建立高性能铝合金多相适配微结构宏/细观均匀性的多级积分时效调控技术原型。针对龙形轧制显著改善铝合金板材厚向变形非均匀分布的特点，详细研究龙形轧制的应力应变分布规律，建立龙形轧制稳态剪切变形调控方法，研究龙形轧制变形与再结晶组织、织构的形成机理及对厚板韧性、耐蚀性和各向异性的影响规律，探明龙形轧制对组织性能宏/细观均匀性的作用与调控方法，形成高均匀性中厚板龙形轧制技术原型。铸锭均匀化热处理、固溶淬火预变形时效是调控航空高性能铝合金大规格铝材料宏/细观组织性能均匀性的共性关键节点。必须结合上述三类典型新型铝合金实现高特征性能的多相适配微结构模式设计原理，研究并确定急需的高强高韧高淬透、超强高韧耐蚀、中强高耐损伤三类典型航空铝合金材料的多相适配微结构调控方法。详细研究三类典型航空铝合金材料多相组织形成的动力学行为与外场条件耦合调控原理，建立成分工艺组织性能关联调控方法：如多级均匀化热处理调控弥散相晶内/晶界分布均匀性，辊底喷淋淬火调控淬透厚度与残余应力，预拉伸（压缩）调控淬火残余应力等。总之，通过上述高性能铝材制备全过程的共性工艺技术原理与调控方法的创新研究，以及针对材料性能与几何特征展开的创新工艺方法原理研究，将突破高合金化、大规格铝合金材料的高综合性化、高均匀化制备技术瓶颈，成功研制出航空重大工程急需的高性能铝合金材料，发展基于铝合金成分与外场结合的高性能铝合金组织与性能宏/细观均匀性调控新原理与方法。5.3 创新和特色创新：（1） 提出以合金元素固溶度为准则，以原子交互作用、相平衡和析出转变为基础设计铝合金成分，发展高性能铝合金的科学思路。（2） 提出以多相适配为准则，设计耐蚀、耐损伤铝合金微结构模式的原理与方法。（3） 提出成分与多场协同调控铝合金材料宏/细观不均匀性的新途径。特色：（1） 紧密结合国家重大工程需求，将航空用高强高韧高淬透、超强高韧耐蚀、高损伤容限典型材料作为基础研究的结合对象，基础研究成果直接提升三大典型材料的服役性能。（2） 通过实验室中试基地产业转化紧密结合，构建“材料性能设计合金设计材料制备材料应用” 铝合金材料研发的完整创新链，对接国家重大工程。（3） 建成了铝合金材料基础研究、制备技术与工程应用结合的国内最具综合优势的产、学、研、用创新团队，将知识创新和技术创新融为一体，为国家对高性能铝合金材料发展的重大需求提供持续的创新能力。5.4 可行性分析本项目发展具有优异特征性能的高性能铝合金的学术思想、技术途径是建立在对国内外研究现状与发展趋势的深入分析和各承担单位前期工作的坚实基础上的。在高性能铝合金的研究中，各承担单位已取得了不同程度的探索结果，积累了较丰富的研究经验、形成了较扎实的研究基础与技术储备。经过本项目深入系统的研究和良好的组织，可以取得突破。针对国家重大需求，全面分析了国内研究现状，本团队在前期973研究的基础上，在铝合金材料研究方面形成了很好的平台、基地和团队，最具综合优势的产、学、研、用创新团队，提出了本项目的学术思想，（1）前期研究工作为本项目的完成奠定了学术基础本项目团队前期工作已开展了改变主合金成分和引入微量元素的探索研究，发现可以形成新型过饱和固溶体和第二相，是有效提高铝合金的淬透性、韧性、耐损伤性和耐蚀性的可行途径，这为本项目系统地开展三类典型强度级别高综合性能铝合金的主合金与微合金化成分设计打下了坚实基础。在高强高韧高淬透性铝合金研究方面，前期研究发现，高Zn或低Mg或低Cu的主合金成分设计方向可调控该类合金的强度、韧性和淬透性，同时铸造和塑性加工性能显著改善，这为研究和发展高淬透性高强铝合金找到了突破口；前期研究探索了影响高强铝合金材料淬火敏感性的多因素物理模拟方法，初步研究了铝合金材料多相微结构对淬透性的影响；这些工作为本研究奠定了坚实基础。通过本项目的深入研究，可发展出有我国特色的高强高韧高淬透性新型铝合金设计理论和材料制备技术。在超强高韧耐蚀铝合金研究方面，前期对Al-Zn-Cu-Mg超强铝合金的研究发现，降低铜含量可以减少残余凝固共晶相（Al2CuMg相），提高铸造性能和材料韧性；此外，前期研究中探索了同时添加过渡族和稀土微量元素对超强铝合金的作用，发现可形成新型多元铝化物共格弥散相，可完全抑制再结晶，提高形变回复微取向基体组织稳定性，减少大角度晶界，可同时提高强韧性、耐蚀性；发现热处理调控晶界析出相Cu含量可提高耐蚀性，已获授权专利多项。这些工作为本研究奠定了坚实基础，通过本项目的深入研究，可望发展出有我国特色的新型超强高韧耐蚀铝合金及其设计理论和材料制备技术。在中强高耐损伤性铝合金研究方面，在十一五型号项目、铝973项目的支持下，开展了机身蒙皮用2E12高耐损伤铝合金的研制工作，发现相邻晶粒内，两个有利的滑移面之间的取向差是控制裂纹横过晶界生长的关键因素；裂纹偏转及次裂纹形核可大量消耗裂纹扩展所需的能量，从而降低裂纹扩展速率，同时发现该合金的强度与裂纹扩展速率相互制约的矛盾十分突出，且随着板材厚度的增加，强度与耐损伤性能的协调难度更大，目前还不能全面满足大飞机要求。前期探索发现，通过适当降低Cu含量以及Cu/Mg比可以减少过剩相，引入微量Ag可以催生111面的Ag-Mg原子团簇，添加微量Er形成新型多元铝化物共格弥散相，在保持或提高合金强度的同时，可显著改善合金耐损伤性能。这为研究和发展高损伤容限铝合金提供思路。另外上述前期工作积累为本项目研究奠定了坚实基础。通过本项目的深入研究，可望发展出有我国特色的中强高耐损伤铝合金设计理论和材料制备技术。（2）铝合金基础研究、材料制备、应用性能研究与结构设计人员相结合的研究队伍本项目组织了国内高性铝合金研究、生产与航空应用的10家优势单位，形成了一个具有雄厚研究实力和良好实验条件的研究群体。特别值得指出的是我国高性能铝合金材料制备的骨干生产企业，飞机的设计、材料检测部门也是本项目的承担单位，设计、检测与生产企业直接参加基础研究，在本项目建议的各研究方向上，均有参加单位的学者从事相关研究。通过研究团队成员优势互补、协同合作，完全可以达到本项目所确定的目标。（3）支持基础研究成果快速转化的先进研究平台经过多年的积累和近年来的重点建设，项目研究承担单位与本项目相关的国家级重点实验室、国防科技重点实验室、国家级工程研究中心、国家级企业技术中心、国家级有色金属材料检测分析中心、国家重点学科直接参加本项目研究。各承担单位建立了优势互补、功能达到国际先进水平的材料微观组织结构与性能检测分析的通用平台。围绕高性能铝合金材料的自主创新，建立了从合金设计、材料制备到构件制造的高性能铝材工程化创新研究基地。拥有1万余平方米的单元核心技术研究平台和1万余平方米的试制车间，形成了20吨级世界先进水平熔铸试制生产线、4000吨等温模锻、800吨/2500吨多功能挤压、1550mm轧机等塑性变形工程化试制生产线，辊底固溶淬火、精密时效等热处理工程化试制生产线，以及真空罐时效成形、多能场搅拌焊接、高速铣削、化铣等高性能铝合金构件成形工程化试制生产线。研究基地不仅能为为本项目开展基础研究提供强力支持，而且能为基础研究成果快速转化为生产技术提供工程化研究平台，支持基础研究成果的快速转化，直接满足国家重大需求。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年全面启动本项目研究计划，重点开展以下几方面研究。l 研究Al-Zn-Mg-Cu系高Zn、低Cu、低Mg富铝区的相平衡与温度和成分的关系。研究Al-Zn-Mg-Cu系合金析出转变动力学成分关系。l 研究Al-Zn-Mg-Cu合金高Zn、低Cu、低Mg富铝区主成分对析出第二相及其与基体电位差、极化行为的影响规律，设计新型超强铝合金主成分。l 研究合金主元素（Cu、Mg、Li）与微量元素（Er、Zr）对耐损伤性能的影响规律与机理。l 研究高性能铝合金在半连续大规格铸锭组织、成分的宏观不均匀性及其形成规律。l 研究非对称内剪切轧制（龙形轧制）应力应变分布规律。l 研究多级固溶对厚截面材料回复/再结晶组织细观不均匀性的调控作用规律与机理。l 研究厚截面材料淬火非均匀换热的时间与空间分布对组织和性能宏/细观不均匀性的影响规律与机理。l 确立淬火温区稳定、时效温区析出的Al-Zn-Mg-Cu系高淬透性主成分区域。l 设计新型超强铝合金主成分。l 设计新型耐损伤铝合金成分。l 揭示铝合金熔炼冶金过程的传输（传热、传质、动量传递）非均匀性形成机理。l 建立龙形轧制稳态剪切变形调控方法。l 确立调控晶界角度分布的固溶热处理方法。l 确立淬火过程中快速均匀冷却调控原理与方法。l 论文3540篇，专利56项。第二年在上年度研究的基础上，开展以下几方面的研究工作，侧重获得新型铝合金原型。l 研究高强铝合金淬透性和析出强韧化与成分的关系。l 研究过渡族与稀土元素复合添加对Al3Zr晶体结构及热稳定性的作用规律。l 研究诱导裂纹偏转的耐损伤组织与织构组态及其形成机理。l 利用电磁和超声铸锭的前期研究基础和工程化研究平台，研究高性能铝合金在复合外场下温度过冷和成分过冷特性，揭示合金成分凝固过冷复合外场的关系及机理。l 研究龙形轧制剧烈内剪切变形条件下的晶粒分裂和第二相破碎机制、晶界特性、111织构形成机理。l 研究厚截面材料淬火非均匀温度场与第二相析出动力学效应对多相组织宏/细观不均匀性的耦合影响规律与机理，研究界面传热对淬火残余应力的影响规律。l 设计高强高淬透性合金的主成分。l 确立新型多元弥散相，设计超强铝合金的微合金化成分。l 探明提高耐损伤性能的基体组织模式。l 建立成分与外场协同调控铸锭组织与成分宏/细观均匀性的方法。l 形成龙形轧制组织、织构调控原理与方法。l 建立保证不同厚度材料淬透与残余应力最小的调控方法。l 论文3540篇，专利56项。l 初步获得高淬透高强高韧、超强耐蚀、中强耐损伤新型铝合金原型。关键性能指标达到优于同类材料的水平，在实验室小试条件下：高淬透高强高韧合金性能：相当于截面厚度300mm材料室温水淬的冷却速度条件，L向：b520MPa，0.2490MPa，10%，L-T向：KIC 30 MPam1/2超强耐蚀合金性能：带板，L方向：b650MPa，0.2625MPa，8%；L-T向：K1C30MPam1/2；KISCC15MPam1/2；应力腐蚀门槛值300MPa/30天；剥落腐蚀达到EA级。中强耐损伤合金性能：板试样sb430MPa，s0.2350MPa，15%，Kapp=185MPam1/2，da/dN2.010-3mm/cyc （Kp=30MPam1/2）l 初步建立大飞机所需高淬透高强高韧、超强耐蚀、中强耐损伤铝合金材料均质制备技术原型。指导大飞机材料研制，试制材料综合性能指标满足大飞机设计要求，性能不均匀性小于12%。第三年完成前两年研究后，着重开展以下几方面研究：l 研究过渡族和稀土元素影响共格相界向非共格相界转变的规律及机理、新型弥散相影响再结晶的规律及机理。l 研究新型多元铝化物共格弥散相抑制铝基体再结晶作用规律。l 研究第二相种类（初生相、弥散相、沉淀相）、状态（共格、半共格、非共格）、形貌（球状、条状等）与分布对耐损伤性能的影响规律与模型。l 研究高性能铝合金大规格铸锭组织、成分的宏/细观不均匀性对淬透性、强韧性、耐蚀性、耐损伤性能的影响规律。l 研究龙形轧制对韧性、耐蚀性、抗疲劳、耐损伤性的影响规律。l 预变形（拉伸、压缩）对消减残余应力的影响规律。l 探明新型弥散相影响再结晶、淬透性与强韧性的规