热挤压成形7075铝合金及CoCrFeNiMn/Al7075复合材料的组织与性能研究

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7075铝合金作为Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金,已经在航空航天、汽车工业等领域得到了广泛的应用。但7075铝合金在实际铸造生产时不可避免的会存在着宏观偏析、晶粒粗大等问题,通常需要热挤压、锻造等二次成形工艺进行再加工。粉末热挤压工艺结合了粉末成形与塑性加工,具有快速成形、晶粒细小、组织均匀和避免偏析等优点,有助于提升7075铝合金的力学性能,获得强塑性的良好匹配。本文以7075铝合金粉末为实验材料,通过粉末热挤压制备高性能的7075铝合金,研究了挤压温度、挤压比以及后续热处理工艺对7075铝合金组织和力学性能的影响。随后采用放电等离子烧结-热挤压工艺制备了CoCrFeNiMn/Al7075复合材料,重点研究了烧结工艺、增强相体积分数以及热挤压对CoCrFeNiMn/Al7075复合材料界面特征、微观组织与力学性能的影响。具体研究结果如下:通过提高挤压温度实现了粉末颗粒间的致密结合,而增大挤压比进一步促进了晶粒细化及第二相Mg Zn2的均匀分布,并提升了合金的综合性能。通过工艺优化确定了粉末热挤压7075铝合金的最佳工艺参数:挤压温度为500℃、挤压比λ=36。该工艺下7075铝合金的晶粒尺寸细化至3.25μm,并产生<001>取向的变形丝织构及少量{001}<100>再结晶织构,其屈服强度为323 MPa,抗拉强度为492 MPa,伸长率为27.6%,呈现韧-脆混合断裂机制,细晶强化、位错强化与第二相强化为挤压态7075铝合金的主要强化机制。进一步优化粉末热挤压7075铝合金的热处理工艺参数,经480℃固溶0.5 h,120℃时效24 h后,合金的屈服强度提升至446 MPa,抗拉强度提升至530 MPa,伸长率为19.6%,实现了强塑性的良好匹配。采用球磨混粉工艺制备出均匀混合的片状CoCrFeNiMn/Al7075复合粉末,并利用放电等离子烧结-热挤压工艺实现了增强相与基体间界面的良好结合与性能优化,确定了最佳放电等离子烧结-热挤压工艺参数:烧结温度为500℃、保温时间为8 min、挤压温度为400℃、挤压比λ=16。在此基础之上,调控CoCrFeNiMn增强相的体积分数为5%时热挤压复合材料的力学性能最优,其屈服强度与抗拉强度相比于7075铝合金分别提升44%与30%,达到了422 MPa与568 MPa,伸长率为8.0%,在复合材料拉伸断口中存在增强相与基体的界面脱离现象,基体中韧窝数量较多,为韧性断裂机制。纳米压痕结果表明CoCrFeNiMn高熵合金颗粒是理想的增强相,其强度、硬度以及弹性模量远高于7075铝合金基体。而EBSD的分析结果表明,热挤压后烧结坯料中的无取向等轴晶转变为沿挤压方向的细长晶粒,产生了<111>取向的变形丝织构,晶粒尺寸由烧结坯料的3.25μm细化至热挤压后的2.32μm。热挤压CoCrFeNiMn/Al7075复合材料的强化机制为载荷传递强化、细晶强化与位错强化。
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