Ppt陳子勇-鋁業(yè)講稿

新型超高強高韌航空鋁合金材料及其關鍵制備技術國家863計劃【前沿技術研究類】合作單位：北工大、航材院、青海國鑫鋁業(yè)匯報：北京工業(yè)大學陳子勇教授所屬領域：新材料技術領域Outline一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究四、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及樣件制備五、結論一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征晶間共晶晶內結晶鑄態(tài)組織晶內晶界殘留相均勻化組織微米析出相、晶界主導斷裂晶界析出相制約腐蝕晶內納米析出相主導強度亞微米沉淀相阻止基體再結晶最終顯微組織均火處理變形及熱處理組織遺傳與演變抗拉強度高≥500MPa；延伸率≥6%；斷裂韌性≥20MPa·m1/2;淬透性低，如7055僅40mm;耐蝕性差，一般為EB級，KISSC低約為7MPa·m1/2；鑄造性能不好，易產(chǎn)生偏析、熱裂、冷裂；加工變形（鍛造、軋制、擠壓）困難。機械及加工性能一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征艦載無人機陸基無人機軍機客機軌道交通應用領域一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征：Zn＜8%：Zn≥8%合金上限含量（%）1011121314時間（年）1940年1950年1960年1970年1980年1990年2000年7075-T6高強度7475-TXX高強、耐蝕7050-TXX高強、高韌、耐蝕7055-T77超高強、耐蝕7085-T74超高強、高淬透高強高強、高韌、耐蝕

超高強、耐蝕高強、高淬透下一代國外超高強鋁合金的發(fā)展一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征7707570507475715070557085強度、斷裂韌度

抗應力腐蝕斷裂韌度斷裂韌度，剝落腐蝕改善強度斷裂韌度

淬透性美國：俄羅斯：B95B96B95чB96Ц31933強度、斷裂韌度

抗應力腐蝕斷裂韌度塑性，斷裂韌度，強度斷裂韌度

淬透性熱處理狀態(tài)：T6→T73→T76→T736（T74）→T77（T78、T79）熱處理狀態(tài)：T1→T3→T2高強度、低韌性→高強度、高韌性→高強度、高韌性、耐腐蝕方向發(fā)展7xxx系合金主體合金牌號及熱處理狀態(tài)的演變一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征高強/高韌高韌/高淬透性高強/高韌/高耐蝕仿制/研究國外牌號國內生產(chǎn)裝備/技術特點主干合金本地化以7050為基礎合金國內主干合金確定主元素成分調整微合金化元素調整Zn、Mg、CuEr、Zr、Cr、Mn、Ti聯(lián)合加入Zn：8~10.5、Mg：1.2~2.3、Cu：1.3~2.0、Er:0.2~0.5研究思路：可焊總體技術路線：國內超高強鋁材發(fā)展思路及技術路線7A55、7A60、7A85一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征1）先進鋁合金均受美鋁、加鋁、德鋁和凱撒鋁業(yè)等國際寡頭專利壟斷；2）國外加緊了在中國的的專利布局，其中高鋅（10wt.%）超高強耐損傷鋁材開始在中國專利申請；3）國內實現(xiàn)了三代鋁合金的批量生產(chǎn)，四代鋁合金及高Zn的超高強鋁合金研究落后；沒有自主知識產(chǎn)權技術落后國內超高強鋁材現(xiàn)狀一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征國內超高強鋁合金存在問題：成分范圍被國外專利封鎖，高性能組織模式不清大尺寸鑄錠熔鑄困難，冶金質量及均勻性不好精密擠壓材質量差，擠壓型材尺寸受限缺乏自主產(chǎn)權的熱處理技術與裝備一、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的特征②創(chuàng)立一個新牌號，形成適于國內裝備條件的超高強高韌耐蝕鋁合金整套制備技術；③強度比第四代7055的提高20%，達600MPa以上，其它性能與7055相當；T74狀態(tài)強度與第四代7055的T77狀態(tài)相當，淬透性更好，可以制備40-80mm的中厚板。材料實現(xiàn)跨代設計，突破國外專利封鎖①形成高通量、多層次強韌化耐蝕設計理論；二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制No.DateZnMgCuσb(MPa)δ(%)KIC(MPa.m1/2)characteristic707550年代5.1-6.12.1-2.91.2-2.0510626低強度、低斷裂韌性及耐蝕性能705590年代7.6-8.41.8-2.32.0-2.6593724高強高韌、較低耐蝕性能、低淬透性708521世紀初7.0-8.01.2-1.81.3-2.0515831低強度、高韌性高淬透超鋁新一代≥10降低降低700835高強高韌、較好耐蝕性(兼顧高損傷、高淬透)典型牌號合金主元素含量、鋅鎂比、銅鎂比變化趨勢圖（一）合金成分的設計①1—3組(Zn+0.8Cu)/Mg=6，考察Zn含量對合金性能的影響；②2、4組考察微合金元素Er對合金性能的影響；③2、5組在Cu取下限時，考察(Zn+0.8Cu)/Mg分別為6，7的合金性能的變化。合金編號合金元素含量（wt.%）ZnMgCuZrErBeAlXHJ-19.01.7(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-210.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-311.02.1(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-410.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.120.060.002bal.XHJ-510.01.6(±0.3)1.4(±0.3)0.1200.002bal.二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（二）鑄造與變形工藝

鑄造采用常規(guī)半連續(xù)鑄造技術，澆注溫度670~750oC，鑄造速度20~200mm/min。半連鑄制得的原始鑄錠規(guī)格為Φ286mm，重量為230kg。半連續(xù)鑄造結晶器二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制合金鍛造工藝為：棒材在400℃保溫1h，隨后分兩步進行模鍛，將其鍛壓成厚度約為20mm的盤狀，總的變形量為82%。鍛壓時上下模加熱溫度為400~420℃。鍛壓后材料空冷。合金鍛造示意圖二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制

合金在400℃擠壓，擠壓比15.4︰1，即將合金由截面直徑280mm的棒材擠壓成截面100mm×40mm的帶板。為了區(qū)別擠壓帶板的各向異性，將擠壓方向即縱向用字母L表示，垂直擠壓方向的長橫向用T表示，短橫向用S表示。合金擠壓示意圖二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（三）熱處理工藝與性能表征鍛造材料：a)b)合金鍛造后熱處理示意圖a)單級時效處理,b)雙級時效處理二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制鍛造材料：合金鍛造后單級時效性能合金σb/MPaσ0.2/MPaδ5/%γ/%IACSXHJ-27006698.731.4XHJ-37036748.431.4二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（四）Zn11合金精確熱處理強韌化工藝與性能表征擠壓材料（L）：時效工藝對應T×狀態(tài)Hvσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KΙC/MPam1/2120oC/24hT6213.67437236.830.66110oC/2h+160oC/10hT74196.36556467.236.93120oC/24h+190oC/15minT78202.17236878.945.12120oC/24h+180oC/60min+120oC/24hT77203.56866817.033.26二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（五）Zn10合金精確熱處理強韌化工藝與性能表征擠壓材料（L）：雙峰時效工藝HVσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KIC/MPa1/2120℃/24h+190℃/5min203.27537309.036.2120℃/24h+190℃/10min201.372068012.041.9120℃/24h+190℃/15min204.071870813.035.2120℃/24h+190℃/20min208.173867610.734.8二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（六）Zn/Mg比對合金性能的影響合金Zn+Mg（wt.%）Zn/Mgσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KIC/MPam1/2XHJ-313.104.877487238.330.2XHJ-411.994.937637339.331.4XHJ-511.666.0671568011.334.3Zn/Mg6.064.934.87合金Zn+Mg和Zn/Mg比值以及單級峰值時效后性能二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（七）合金淬透性研究25mm100mm15mm試樣夾頭噴水嘴140mm水淬端硬度測試截面10mm140mm25mmL試樣取樣位置圖末端淬火實驗示意圖二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制三種合金的端淬曲線

XHJ2和XHJ4的淬透深度相近，可以達到60mm，XHJ5相對于前兩種合金淬透深度有較明顯的優(yōu)勢，可以超過80mm。合金編號合金元素含量（wt.%）ZnMgCuZrErBeAlXHJ-210.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-410.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.120.060.002bal.XHJ-510.01.6(±0.3)1.4(±0.3)0.1200.002bal.二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制兩種合金的TTP曲線—硬度的90%

兩種合金的敏感溫度區(qū)分別約為210-390℃和220-370℃，鼻尖溫度分別約為303℃和267℃，孕育時間約為14.03s和22.73s，XHJ5表現(xiàn)出較低的淬火敏感性。二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制時效工藝Ecorr（Vvs.SCE）icorr（μA/cm2）單峰時效-0.848.175雙級過時效-0.743.286雙峰時效-0.8117.11回歸再時效-0.785.012Zn11合金擠壓帶板腐蝕性能二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制（八）合金耐蝕性能研究（九）合金時效微觀組織演變ab

AlZnMgCuErZr(a)Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu,(b)Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu-0.12Zr-0.06Er合金393K下時效初期(001)面的溶質原子分布形成Zn/Mg原子簇、Zn/Mg/Cu復合團簇添加Zr、Er合金的原子簇更彌散細小時效初期Zn/Mg原子簇平均尺寸變化MonteCarlo模擬合金固溶態(tài)的DSC曲線二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制Al3ErGPⅡGPⅡAl3ErAl-10Zn-1.9Mg-1.7Cu-0.12Zr-0.06Er合金超常穩(wěn)定相及

區(qū)形態(tài)SSS(過飽和固溶體)→GPⅡ區(qū)→亞穩(wěn)η’相→η相二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制120℃/72h時效后XHJ-4的TEM顯微組織165℃/8h時效后XHJ-4的TEM顯微組織135℃/24h時效后XHJ-4的TEM顯微組織二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制20nmaPFZ50nmbc合金在120oC/24h+190oC/15min時效的TEM顯微組織及衍射花樣

(a)晶內,(b)晶界,(c)[]AlSADPZn10+Zn/Mg5.97Zn10+Zn/Mg6.95Zn10+Zn/Mg5.97+ErEr微合金化高Zn鋁合金帶板心部晶界組織加Er后，晶界斷續(xù)球化二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制熱處理制度基體沉淀相種類基體沉淀相尺寸晶界沉淀相無沉淀析出帶固溶————————90℃/24hGP+（少量）η'3~5nm連續(xù)約15nm——120℃/0.5hGP3~5nm連續(xù)約10nm——120℃/24hGP+η'3~5nm5~8nm連續(xù)15~20nm約25nm120℃/72hGP+η'+η7~8nm斷續(xù)30~35nm40~50nm135℃/24hGP+η'9~12nm連續(xù)30~35nm40~50nm165℃/8hGP+η'+η10~20nm斷續(xù)約25nm約35nmXHJ-4時效析出過程顯微組織演變特征二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制時效工藝MPtGBPPFZ120oC/24h細??；相晶界很窄，晶界析出相部分沿晶界連續(xù)分布寬度約30nm110oC/2h+160oC/10h粗大；相、相晶界沉淀相粗化嚴重，呈棒狀，沿著晶界斷續(xù)分布較明顯，寬度約35nm120oC/24h+190oC/15min細??；相、相晶界析出相比過時效尺寸要小，沿著晶界斷續(xù)分布寬度約25nm120oC/24h+180oC/60min+120oC/24h粗大；相、相晶界沉淀相粗化較嚴重，呈棒狀，沿著晶界斷續(xù)分布較明顯，寬度約70nmZn11（XHJ-3）在不同時效狀態(tài)下的顯微組織特點二、超高強Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代設計與研制三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究（一）復合變質細化中間合金的制備熔體自蔓延反應法合金成分重量（Kg）編號鋁錠質量(kg)中間合金質量(kg)粉末(kg)AlTiC/BAl-5Ti-1B-0.1Er50143.40.834.2192.50.5Al-5Ti-0.3C-0.2Er50244.51.662.622.50.151.將粉末按上表比例均勻混合，壓制預制塊。2.將鋁錠熔化，調整到所需溫度，用石墨鐘罩壓入預制塊，攪拌十分鐘。3.待反應結束，除氣精煉，靜置扒渣，澆鑄成型。擠壓桿材Al-Ti-B合金鑄態(tài)組織(a)0Er(b)0.1Er（二）復合變質細化中間合金的組織特征三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究abcAl-Ti-B合金擠壓態(tài)組織(a)自制(b)國產(chǎn)(c)進口三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究acbgdefAl-Ti-B-Er添加量(wt.%)對Al-10Zn-1.9Mg-1.6Cu-0.12Zr合金鑄態(tài)組織的影響，a.0b.0.2c.0.5d.07e.1f.1.5g.2三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究Er對Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu合金鑄態(tài)晶粒度的影響鉺添加量對Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu合金凝固組織的影響（1）0Er（2）0.1Er（3）0.2Er（1）（2）（3）（三）Er含量對凝固組織的影響三、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固組織控制研究合金成分：Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu-0.12Zr均勻化工藝：400℃/4h+467℃/30h擠壓工藝：預熱400℃/0.5h，430℃擠壓，擠壓比：17.6:1固溶工藝：472℃/3h淬火：20℃～25℃120℃/21h；120oC/24h+190oC/15min；110oC/24h+160oC/10h優(yōu)化的成分與成形工藝高強高強高韌高韌耐蝕四、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及樣件制備Ф400mm的Zn10合金鑄錠低倍組織斷口四、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及樣件制備Zn10合金深水魚雷殼體樣件Ф350×1200×δ4.5mmZn10合金擠壓帶板40×100×4500mm四、高鋅Al-Zn-Mg-Cu合金的材