【摘 要】
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7085Al(Al-Zn-Mg-Cu系)合金作为新一代的航空、航天用超高强度铝合金,具有高强、抗疲劳、高损伤容限,以及良好的成形加工性,主要应用于大飞机承力结构件,如空客A380和波音787的翼梁和翼肋等关键部件。然而,随着我国新一代载人航天、大飞机、航母舰载机等的快速发展,对“以铝代钢”的铝化率和铝合金的性能提出了越来越高的要求,传统铝合金已不能满足这些领域对其更高性能的要求。同时,随着海洋工程
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7085Al(Al-Zn-Mg-Cu系)合金作为新一代的航空、航天用超高强度铝合金,具有高强、抗疲劳、高损伤容限,以及良好的成形加工性,主要应用于大飞机承力结构件,如空客A380和波音787的翼梁和翼肋等关键部件。然而,随着我国新一代载人航天、大飞机、航母舰载机等的快速发展,对“以铝代钢”的铝化率和铝合金的性能提出了越来越高的要求,传统铝合金已不能满足这些领域对其更高性能的要求。同时,随着海洋工程及舰船用轻质高强铝合金的快速发展,提高铝合金的耐腐蚀性变得同样重要。近年来,国内外学者多通过稀土来提升铝合金的强韧性与耐腐蚀性能,但是单一稀土微合金化性能提升有限。本论文采用原位纳米陶瓷颗粒复合与稀土微合金化的协同强化方法,制备原位ZrB2纳米颗粒与Sc,Zr协同强化的7085Al复合材料,研究其微观组织与力学性能和耐腐蚀性的相互关系规律,探讨其强韧化与耐腐蚀机理。主要研究结果如下:复合材料的微观组织研究表明:原位合成的ZrB2纳米颗粒主要分布于晶界上,部分分布于晶粒内部,ZrB2颗粒的形貌为六边形或四边形,尺寸大约为80.1nm,并且与基体结合良好,为半共格界面。同时,随着ZrB2质量分数的提高,团聚现象加剧,当质量分数为3 wt.%时,原位ZrB2纳米颗粒的分布较为均匀,且基体晶粒最为细小、平均晶粒尺寸为45.8μm。稀土元素Sc与元素Zr的复合添加可在基体内部析出Al3Sc和Al3(Sc,Zr)两种稀土纳米相,且产生显著晶粒细化效果,同时,还有效细化了Mg Zn2析出相。在原位纳米颗粒与稀土的协同强化下,复合材料的基体平均晶粒尺寸细化至20.2μm,与7085Al合金相比晶粒尺寸减小了81.2%。与此同时,添加稀土Sc元素,使原位ZrB2纳米颗粒的团簇趋势降低、形貌圆钝、尺寸减小。复合材料的力学性能研究表明:在原位纳米颗粒与稀土的协同强化下,3 wt.%ZrB2纳米颗粒与0.5 wt.%Sc+0.3 wt.%Zr协同强化7085Al复合材料的力学性能达到最佳,其屈服强度、抗拉强度与伸长率分别达到了643.5 MPa、687.3 MPa和11.2%,比7085Al合金提高了27.7%、25.3%和83.6%。颗粒与稀土的协同强化的强化效果均高于单一颗粒或稀土强化相。强韧化机制分析表明,复合材料的强化主要源于基体晶粒的细化,原位纳米颗粒和稀土纳米析出相的Orowan强化、CTE强化和载荷传递强化;同时,在原位纳米颗粒与稀土的协同作用下,复合材料的增强体分散更加均匀、基体晶粒显著细化,使复合材料的韧性大幅度提升。复合材料的耐腐蚀性能研究表明:在7085Al合金中引入原位ZrB2纳米与稀土Sc均能显著提升其耐腐蚀性能,其腐蚀电位均有所增高,腐蚀电流密度减小,容抗弧半径增大,最大晶间腐蚀深度降低。基体7085Al合金的最大晶间腐蚀深度为260.5μm,在此基础上,通过原位合成技术与稀土微合金化技术制备的3wt.%原位ZrB2纳米颗粒与0.5 wt.%Sc+0.3 wt.%Zr协同强化7085Al复合材料,最大晶间腐蚀深度下降至25.6μm,最大晶间腐蚀深度降低了89.9%。协同强化后的耐腐蚀性能均高于单一强化相。耐腐蚀机制分析表明:原位ZrB2纳米颗粒作为陶瓷、耐腐蚀性高,在原位ZrB2纳米颗粒与稀土Sc、Zr协同作用下细化了基体晶粒尺寸、促进了原位ZrB2纳米颗粒的均匀分散、使沿晶界析出相断续分布,细化了η析出相,晶界无沉淀析出带变窄,复合材料的耐腐蚀性能因此得到了大幅提高。
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