论文部分内容阅读
5xxx系合金以Mg为单一主合金元素,具有优异的耐蚀性和可焊接性,该合金只能通过加工硬化和固溶强化获得必要的强度,因此强度显著低于Zn/Mg大于2.0以η-MgZn2为析出强化相的7xxx系合金。但7xxx系合金耐蚀性以及可焊接性差,只能通过铆接等方式进行连接,严重限制了该合金的应用范围。因此开发出新型合金,兼具优良的强度、耐蚀性以及可焊接性,是车辆以及船舶用铝合金发展的必然趋势。本研究设计并成功制备了 Zn/Mg小于1.0以T-Mg32(AlZn)49为析出强化相的新型Al-Mg-Zn合金,在成分上显著区别于传统5xxx和7xxx系合金。课题组同期研究已表明,该系列合金具有较低的凝固温度区间以及糊状区宽度,可抑制熔化焊接过程中发生焊接热裂纹的倾向。本研究聚焦于合金的强化以及耐蚀性,通过硬度及强度测试、差热分析、极化曲线测定、金相观察、扫描和透射组织表征、三维原子探针技术等分析方法,探究新型Al-Mg-Zn合金的时效硬化规律及强化机理、明确以T-Mg32(AlZn)49相为析出强化相的合金时效过程中原子团簇的形成及其向后续强化相转化的机制,从原子尺度上揭示不同Zn含量合金中析出相的交互竞争析出规律。开发适用于新型合金的高温预处理工艺,阐明新型合金的耐蚀机理。研究发现Al-5.1Mg-3.0Zn-0.15Cu(wt.%)合金的固溶工艺和T6峰时效工艺分别为530℃/10 min和90℃/24 h+140℃/25 h,此时抗拉强度和屈服强度分别为489 MPa和417 MPa。根据析出相的衍射信息以及与基体的共格关系,T-Mg32(AlZn)49相的析出序列被定义为:SSSS→GPI区→GPII区(T"相)→T’相→T-Mg32(AlZn)49 相。对于 Al-5.1Mg-3.0Zn-0.15Cu 合金,90℃/24 h 预时效促进 Mg-Zn 团簇(T-Mg32(AlZn)49相的前驱体)的形成,抑制Mg-Cu团簇(S-Al2CuMg相的前驱体)的形成,进而加速并增强合金在180℃下的时效硬化响应;180℃条件下单级时效较低的峰值硬度是低密度S-Al2CuMg相硬化和粗大T-Mg32(AlZn)49相粗化共同作用的结果,而双级时效较高的峰值硬度来自于细小、高密度、均匀分布的T"相。合金经90℃/24h预时效和NA/168 h自然时效处理后,尽管两者硬度相同,但前者形成的GP区相对后者的团簇更稳定,进而加速并增强了在随后180℃下的时效硬化响应。Zn的添加促进了 T-Mg32(AlZn)49类型相的析出,同时抑制了 β-Al3Mg2类型相和 S-Al2CuMg类型相的析出。随着 Zn含量的增加,Al-5.1Mg-0.15Cu-xZn(x=1、2和3)中T"相的个数密度和体积分数增加,时效硬化加速并增强。成分的相近性促使团簇更容易转变为最佳强化相T"相。低Zn合金中团簇一旦形成,由于其较高的Mg/(Al+Zn+Cu)很难在随后时效中转变为T"相,导致双级时效后合金中存在高密度的团簇和少量的平衡相T相,因而合金时效硬化响应能力较差。当T-Mg32(AlZn)49类型相长大到一定尺寸,Mg/(A1+Zn+Cu)趋于定值3/7。随着高温预处理温度的降低,终态合金的抗晶间腐蚀性能增强。410℃/1 h+T6工艺在强度基本无损失的前提下显著改善了合金的抗晶间腐蚀性能;其本质原因为:410℃预处理后晶界偏聚Mg、Zn和Cu原子,而晶内仍为固溶态,进而使得410℃/1 h+T6态合金的晶内组织与T6态相同,但其晶界析出相分布更加断续,且晶界析出相与无析出带之间的Mg和Zn原子的浓度差较小。在影响合金抗晶间腐蚀性能的各微观因素中,晶界析出相的断续程度起着决定性的作用,且与合金抗晶间腐蚀性能成正相关。以上研究结果可为时效析出强化型Al-Mg-Zn合金的成分设计、板材制备、时效工艺制定、微观结构设计与组织性能调控以及抗晶间腐蚀性能优化等方面提供指导。