喷射沉积Al-Zn-Mg-Cu合金成分优化及热加工组织调控.pdf

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1、博士学位论文喷射沉积Al-Zn-Mg-Cu合金成分优化及热加工组织调控COMPOSITIONOPTIMIZATIONANDHOTWORKINGMICROSTRUCTURALCONTROLOFTHESPRAYDEPOSITEDAL-ZN-MG-CUALLOY李海超哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TG292学校代码：10213国际图书分类号：669密级：公开工学博士学位论文喷射沉积Al-Zn-Mg-Cu合金成分优化及热加工组织调控博士研究生：李海超导师：刘祖岩教授副导师：曹福洋副教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018

2、年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG292U.D.C:669DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCOMPOSITIONOPTIMIZATIONANDHOTWORKINGMICROSTRUCTURALCONTROLOFTHESPRAYDEPOSITEDAL-ZN-MG-CUALLOYCandidate：LiHaichaoSupervisor：Prof.LiuZuyanAssociateSupervisor：A.Prof.CaoFuyangAcademicDegreeAppliedfor：D

3、octorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要基于喷射沉积技术的深过冷及快凝特性，所制备的Al-Zn-Mg-Cu系列合金在航空航天等领域具有广泛的应用前景。目前关于喷射沉积高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究已取得不少成果，但在成分优

4、化、组织调控等方面尚存在不足。本文基于相图热力学计算方法进行合金成分设计，并采用喷射沉积技术制备了高合金化的Al-Zn-Mg-Cu系列合金，系统地研究了合金成分在制备过程（喷射制坯、致密化、热处理）中对合金组织、相组成以及主要性能的作用规律及机制，建立了合金成分-组织-性能之间的对应关系，之后，对优化成分合金进行了锻造成形实验，着重分析了合金在变形过程中的应力应变行为以及缺陷形成机理。上述研究对于开发具有自主知识产权的新合金体系、推进喷射沉积高合金化Al-Zn-Mg-Cu系合金的工程应用具有十分重要的意义。热力学计算结果显示：Zn/Mg比值是决定Al-Zn-Mg-Cu系合金

5、析出相类型的最关键因素。当Zn/Mg＞4.5时，随Cu元素含量的增加，合金中只存在η(MgZn2)和θ(Al2Cu)相；当Zn/Mg＜4.5时，随着Cu元素含量的增加，合金中出现T(Al2Mg2Zn3)和S(Al2MgCu)相。对不同成分沉积态合金组织的观察表明：喷射沉积特殊的凝固条件导致共晶反应时残余液相匮乏，晶界组织呈现两相分离的离异共晶形态；受溶质扩散速度差异的影响，沉积态合金的凝固路径向低Cu方向偏移，但仍发生liquid→α(Al)+η(MgZn2)共晶反应；所有合金中由液相反应生成的共晶析出相均为η(MgZn2)相，晶内第二相的数量主要由Mg元素含量决定，而晶界

6、第二相的尺寸和数量由(Mg+Cu)总含量决定；在合金中加入微量Sc元素，与Zr复合形成Al3(ScZr)初晶粒子，不仅可以细化晶粒，还能通过异质形核细化晶界离异共晶组织。雾化熔滴与沉积层的固液状态是决定沉积态合金孔隙形成与分布的关键因素。热等静压过程中，坯锭的致密化分为塑性变形阶段与蠕变扩散阶段；最佳热等静压致密化工艺为温度465/4h→485/h，压力130MPa，处理后沉积坯致密度达到99.9%以上，合金组织保持各向同性。合金经热挤压致密化后存在明显的组织各向异性，闭合孔隙与第二相沿挤压方向呈链状分布，形成弱势面；高Mg含量合金热挤压后第二相的数量更多，随着合金中Sc元

7、素含量的增加，热挤压组织中第二相的尺寸逐渐减小，且弥散程度逐渐增加，合金组织得到进一步的细化。经双级固溶处理后合金中第二相大部分回溶到基体，低Mg含量合金更易进入α(Al)单相区。在120℃时效，合金的硬化曲线呈现双峰特征。高Mg含量-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文在时效过程中GP区的脱溶驱动力增大，使形核率增加；当合金中Cu元素含量较高时，可以有效地阻止析出相的粗化与转变，有利于维持合金的峰时效状态。峰时效态合金中的主要析出相为η′相，厚度为2~3nm；随Mg含量提高，合金晶内析出相体积分数显著增加，晶界析出