车身结构用低成本高成形性Al-Zn-Mg-Cu合金的组织调控及相关机理研究

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随着汽车轻量化进程的加快,车身结构件非常有必要采用高强度7xxx系铝合金制造以解决钢-铝连接的系列问题,但是传统7xxx系铝合金存在强度高而室温冲压成形性能差等问题,因此,急需开展兼具高强度高成形性新型7xxx系铝合金成分设计与工艺调控等系统研究。考虑到影响该系合金板材室温冲压成形性能的关键因素是显微组织和成形状态,本论文提出了大幅提高该系合金板材室温冲压成形性能的粗/细晶耦合分布定向设计与精准调控研究思路,基于梯度Zn含量和多尺度富铁相耦合调控,不仅实现了粗/细晶合理搭配有效提高室温成形性能的目标,而且还精准构筑了硬微区和软微区合理匹配的异构组织,合金板材室温冲压成形性能获得了更大幅度的提高;基于组织演化和性能表征等,清楚揭示了高成形性铝合金板材异构组织形成机制及其有效促进成形性能提高的相关作用机制。具体结论如下:基于梯度Zn含量对合金沉淀相、富铁相以及晶粒组织演化的影响规律,设计开发了兼具高强度和高成形性Al-8.0Zn-1.5Mg-1.5Cu-0.2Fe(wt.%)合金及其组织调控工艺。随Zn含量增加(5.0~10.0wt%),更容易形成搭配合理且均匀弥散的多尺度沉淀相和富铁相耦合分布特征,进而可诱发粗晶和细晶交替分布的胞状组织形成,表征预时效合金冲压成形性能的平均塑性应变比r值最高可达0.708;最终结合组织演化和性能表征,揭示了该系合金多尺度第二相粒子演化和影响机制,以及对应的高成形作用机理。基于回收铝含Fe且用作原材料可有效降低成本,以及多尺度富铁相可诱导细晶组织的形成,设计开发了高成形性新型Al-5.0Zn-1.5Mg-1.5Cu-0.2~0.4Fe(wt.%)合金及其热加工短流程调控工艺。通过对热轧、热处理、冷轧、退火以及固溶工艺合理设计与顺序调整,不仅显著缩短了制备工艺流程,而且还使富铁相尺寸、形态、分布得到有效控制和改善,进而对合金组织和织构演化产生了积极影响,预时效态合金板材平均塑性应变比r值可达0.698,表现出较好的室温冲压成形性能,此结果突破了富铁相存在对合金性能提升不利的传统认识;同时还基于组织演化和性能表征,揭示了多尺度富铁相粒子形成及其影响机制,以及合金对应的高成形性机理。基于热轧、冷轧或超低温变形以及退火可对沉淀相析出及其周围应变储能有效调控,进而诱发不同再结晶组织特征的可能,提出了热加工调控粗/细晶耦合分布提高合金板材成形性能的研究思路,设计开发了高成形性Al-5.0Zn-1.5Mg-1.5Cu-0.0Fe(wt.%)合金及其制备工艺。通过改变冷轧变形温度以及热处理工艺,不仅能够有效控制粗/细晶耦合分布特征,而且还能调控出细晶呈梯度分布的最佳耦合分布特征,预时效态合金板材平均塑性应变比可达0.716,表现出优异的室温冲压成形性能;同时还基于组织演化和性能表征,揭示了粗/细晶耦合分布调控机制,及其对应的高成形性机理。基于铸态合金溶质元素分布存在硬微区和软微区,通过变形和热处理精准调控,不仅可有效控制硬微区和软微区的溶质元素浓度梯度,而且还能有效控制硬/软微区形态、搭配和分布,提出了大幅提高新型Al-Zn-Mg-Cu-Fe合金成形性能的异构组织调控策略,设计开发了高成形性Al-5.0Zn-1.5Mg-1.5Cu-0.2Fe(wt.%)合金形成异构组织的精准调控工艺。通过对热轧态合金内沉淀相和溶质元素分布所进行的精准热处理调控,不仅有效控制和优化了硬/软微区分布形态,而且还在其他工艺(如冷轧、退火、固溶和预时效)耦合控制基础上,构筑出了胞状异构组织分布特征,即,细晶(对应硬微区)包粗晶(对应软微区),预时效态合金平均塑性应变比r值大幅提高至0.761,表现出非常优异的室温冲压成形性能;同时还对含有异构组织的该系合金时效析出行为进行了深入研究,基于软/硬微区协同析出实现了峰时效态高强度和高刚度特性;最终结合组织演化和性能表征结果,揭示了微区异构组织形成机制,及其对应的高成形性、高强度和高刚度作用机理。
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