【摘 要】
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本文通过喷射沉积制备了Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金,通过热挤压获得高含量的析出相（记为“AE”合金）,基于均匀化处理获得高含量溶质原子（记为“AS”合金）。通过对两种合金微观组织,力学性能,加工硬化及软化行为等方面进行对比,探讨了析出相和溶质原子对高Zn铝合金力学性能,加工硬化及软化行为的影响规律。另外,对Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金的高温变形行为进行了研究,通过计算拟
【基金项目】
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国家自然基金（52001223,51771128和51771129）； 国家重点研发计划青年科学家项目（2021YFB3703300）； 中央引导地方科技发展资金项目（YDZJSX2021B019）；
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本文通过喷射沉积制备了Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金,通过热挤压获得高含量的析出相（记为“AE”合金）,基于均匀化处理获得高含量溶质原子（记为“AS”合金）。通过对两种合金微观组织,力学性能,加工硬化及软化行为等方面进行对比,探讨了析出相和溶质原子对高Zn铝合金力学性能,加工硬化及软化行为的影响规律。另外,对Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金的高温变形行为进行了研究,通过计算拟合本构关系和建立热加工图,分析了高含量的析出相及溶质原子对材料的高温变形行为的影响,为选择合适的加工参数范围提供理论依据。通过分析“AE”和“AS”合金微观组织及性能发现:“AE”合金晶粒细小,析出相含量更高。固溶处理后,“AS”合金的晶粒尺寸急剧增大,析出相逐渐溶解,但力学性能却有较大程度的提高。在480℃固溶处理后,“AS-480”合金的伸长率（El）为16.5%,极限抗拉强度（UTS）为619 MPa,表明溶质原子的贡献大于晶界或析出相的贡献。“AE”合金的加工硬化能力和加工硬化指数均高于“AS-480”合金。这说明与溶质原子相比,析出相对加工硬化行为的影响更加显著。进行应力松弛实验后发现,当应变达到5%后,两种合金的软化程度出现了不同程度的下降,软化曲线出现明显的拐点,此时析出相对位错的钉扎效应导致软化程度降低,并导致“AE”合金提前失效;而溶质原子对位错的影响弱于析出相,导致“AS-480”合金的软化程度继续缓慢增加。另外受到晶粒尺寸的影响,“AE”合金吸收位错的能力更强,因此虽然软化程度逐渐下降,但仍高于“AS-480”合金。对Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金进行热压缩实验分析发现:变形温度、应变速率、应变及流变应力之间的关系遵从双曲正弦Arrhenius型本构方程。变形激活能随温度或应变速率的升高而降低。激活能的最高值为299.9 k J/mol(300℃和0.001 s-1),最低值为134k J/mol(450℃,1 s-1)。与低Zn含量合金相比,激活能更高。该现象可能是由于溶质原子和析出相数量较多,导致位错及晶界开动受阻,材料变形困难。另外,分析变形过程中的相对软化速率（RS）发现,该合金的软化能力同样随着温度或应变率的增加而增强。与低Zn含量的合金相比,低温下软化能力更强,高温下软化能力更弱。这是因为低温时合金元素多以析出相的形式存在,减弱了溶质原子对软化行为的限制作用。而高温下合金元素多以溶质原子的形式存在,导致高Zn含量合金的软化行为受到严重限制。基于热压缩实验数据分析,分别建立了Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金各个应变下的热加工图及激活能图,确定了理想的加工参数范围是:温度400-450℃,应变速率0.1s-1-1s-1。与低Zn含量的合金相比,Zn含量的提高限制了材料的安全加工区域,增加了失稳区的范围,严重降低了加工性能。高含量的析出相及溶质原子导致应力值升高,而析出相又容易成为裂纹源引发断裂,因此加工性能受到限制。有限元模拟结果进一步验证了该合金的理想加工参数。另外,模拟模锻的过程中材料与模具相接触的区域发生应力集中,容易在该区域内诱发微裂纹。最终在优化成形方案后,选择最佳变形参数附近制备了表面状态和加工精度良好的铝合金轴承模锻件。
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