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当前飞机设计对具有更高综合性能的新一代高强韧铝合金提出了需求,要求具有更高的强硬度、塑韧性、耐腐蚀和耐损伤性能。Al-Zn-Mg-Cu系合金的设计基本朝着高合金化的方向发展,尤其是Zn含量基本超过9.0wt.%。Zn含量高的铝合金具有较高的合金化程度,与Zn含量介于5.0～8.0wt.%之间的传统合金相比,其时效过程中析出相多,时效析出动力学及性能变化与传统的合金也有所差异。目前国内对于高Zn含量铝合金的研究尚不够充分,对于主合金成分对析出行为的影响及其对合金性能的作用,相关的研究很少。此外,现在航空航天领域对飞机用铝合金的综合性能要求苛刻,当前对于合金成分变化对疲劳性能的影响规律尚不明确,致使合金设计在应对较高疲劳性能的要求时缺乏有力的依据。本文设计了具有相同Zn/Mg比的合金(Al-8.0Zn-1.8Mg-2.0Cu 和 Al-9.0Zn-2.0Mg-2.0Cu)和不同 Zn/Mg 比的合金(Al-9.3Zn-2.0Mg-1.8Cu和Al-9.8Zn-2.0Mg-1.8Cu),两组合金具有不同的Cu含量,依托这几种合金作为研究对象,系统地研究分析其从铸态的显微结构差异到时效处理过程中成分变化对显微组织及性能的影响,以及不同时效态下的疲劳性能。主要结果包括:研究了合金的铸态组织。所有合金中共有的第二相是Mg(Zn,Cu,Al)2相、富Fe相和MgZn2相。其中,相同Zn/Mg比合金中均有Al2Cu相,该相中均固溶了一定含量的Zn和Mg元素。对于不同Zn/Mg比的合金,9.3Zn+2.0Mg合金中发现了 Al2CuMg相,而9.8Zn+2.0Mg,合金中则发现了 Al2Cu相。Zn/Mg比相同时,Zn+Mg含量高的合金中晶内各处析出相的分布密度差异较小,Mg(Zn,Cu,Al)2相的数量较多;Zn/Mg比不同时,Zn含量高的合金中晶内各处析出相的分布密度差异较小,Mg(Zn,Cu,Al)2相的数量较多。研究了合金在均匀化/固溶过程中第二相的回溶。经440℃/12h+470℃/24h的均匀化处理后,合金中除富Fe相之外,其余的凝固析出相基本回溶,均匀化比较充分。在固溶处理过程中,Zn/Mg比相同时,Zn+Mg含量高的合金中Mg(Zn,Cu,Al)2相的回溶更加困难;Zn/Mg比不同时,Zn含量高的合金中Mg(Zn,Cu,Al)2相的回溶也更困难。固溶处理时,8.0Zn+1.8Mg合金中观察到Mg(Zn,Cu,Al)2相向Al2CuMg相的转变,而Zn含量大于等于9.0wt.%的其他三个合金中Mg(Zn,Cu,Al)2相直接回溶。固溶温度一定时,延长固溶时间有助于Mg(Zn,Cu,Al)2相的回溶。研究了合金在单级时效过程中的析出行为和性能。合金单级时效处理时的硬化效应变化规律基本相似,在较低的时效温度时需要较长时间达到峰值,并且峰值硬度能够保持较长的时间范围;而时效处理温度较高时合金的硬度值迅速达到最大值,然后持续下降。合金的电导率值均随着时效时间的延长而持续增大。峰时效态的合金中主体强化相都是GP区和η’相。在相同的时效温度下,Zn/Mg比相同时,Zn+Mg含量高的合金具有更快的时效响应速度,较高的硬度值和强度值,较低的电导率值,峰时效处理后合金中较大尺寸的析出相所占的比例更高;Zn/Mg比不同时,Zn含量高的合金在时效处理过程中合金的抗过时效的能力更强,峰时效态下合金中较大尺寸的析出相所占的比例高一些。研究了合金在双级时效过程中的析出行为和性能。双级时效处理时,在第二级保温阶段,合金具有相似的硬化效应变化规律。延长第二级时效的时间,合金的硬度值和抗拉强度持续降低,屈服强度在第二级时效的初期有所升高然后持续降低,电导率则持续增大。不同程度过时效态的合金中主要析出相是GPII区、η’相和η相。随着过时效程度的加深,GPII区的数量有所减少,η相的数量增多,析出相长大且粗化。在相同的时效处理制度下,Zn/Mg比相同时,Zn+Mg含量高的合金具有更快的时效响应速度,其硬度值和强度值均相对较高,而电导率值则相对较低,T76态的TEM观察表明Zn+Mg含量高的合金组织中较大尺寸的析出相所占的比例要高一些;Zn/Mg比不同时,Zn含量高的合金具有较高的强度值,且T76态的组织中较大尺寸的析出相所占的比例高一些,时效处理过程中合金的抗过时效的能力更强。研究了具有不同Zn/Mg比的合金在三级时效过程中的析出行为和性能。三级时效处理时,在第二级回归阶段的硬化效应变化规律基本相似。随着第二级回归时间的延长,合金的硬度、抗拉强度和屈服强度基本持续降低,电导率则是持续升高。经110℃/16h+180℃/45min+120℃/24h的三级时效处理后,合金中主要析出相都是GPII区和η’相,Zn含量高的合金具有相对较高的强度值,且组织中较大尺寸的析出相所占的比例高一些。研究了合金在不同的双级时效态和三级时效态的疲劳裂纹扩展行为。经T76态时效处理后,相同Zn/Mg比合金中Zn+Mg含量高的合金具有相对较低的疲劳裂纹扩展速率。经T76和T77态时效处理后,不同Zn/Mg比合金中Zn含量较高的合金具有相对较低的疲劳裂纹扩展速率。主合金元素含量的提高导致合金中析出相的数量增多,析出相尺寸分布朝着大尺寸的方向偏移,这导致位错运动时切割析出相变得困难,因而提高了合金的抗疲劳裂纹扩展能力。9.3Zn+2.0Mg+1.8Cu合金经T79、T74和T73时效处理后,随着过时效程度的加深,合金的疲劳裂纹扩展速率降低。双级时效态合金中的主要析出相仍然是η’相,切过机制仍然占据主导作用,随着双级时效程度加深,合金的抗裂纹扩展能力增强。研究了富Fe相对Paris区疲劳裂纹扩展的作用。裂纹扩展时在连续分布的富Fe相处形成等轴韧窝,出现相互贯穿的二次裂纹,且路径存在一定的偏转,韧窝中可以有多条二次裂纹路径,有的能够扩展到其他韧窝中,有的则发生闭合;裂纹扩展时在离散分布的富Fe相处沿着主裂纹扩展的方向出现凸起脊,但对主裂纹扩展速率没有明显的影响。