【摘 要】
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Al-Zn-Mg-Cu系合金是一种可热处理强化的变形铝合金,具有高的比强度和硬度、良好的热加工和抗应力腐蚀性能,广泛用于航空航天、交通运输等领域。由于Al-Zn-Mg-Cu系合金在非平衡凝固过程中温度场和流场分布不均匀,导致凝固组织粗大、成分偏析严重等问题,使其应用受到限制;采用传统工艺对合金进行热处理存在耗能大、时间长的缺点。因此,进一步细化合金凝固组织、优化合金热处理工艺已成为进一步提高Al-
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Al-Zn-Mg-Cu系合金是一种可热处理强化的变形铝合金,具有高的比强度和硬度、良好的热加工和抗应力腐蚀性能,广泛用于航空航天、交通运输等领域。由于Al-Zn-Mg-Cu系合金在非平衡凝固过程中温度场和流场分布不均匀,导致凝固组织粗大、成分偏析严重等问题,使其应用受到限制;采用传统工艺对合金进行热处理存在耗能大、时间长的缺点。因此,进一步细化合金凝固组织、优化合金热处理工艺已成为进一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能,降低生产成本的可选途径。由于电脉冲、电磁场等物理场对合金凝固行为的影响及电脉冲对合金组织演变作用具有独特优势,已显示出在材料科学与工程领域的广阔应用前景,引起了冶金和铸造工作者的广泛关注。本文采用有限元模拟和凝固试验相结合的手段,研究电脉冲、旋转磁场及电脉冲+旋转磁场复合处理对Al-Zn-Mg-Cu合金凝固组织及力学性能的影响;采用电脉冲热处理、电脉冲+温度场复合热处理与常规热处理对比的方法,研究了电脉冲热处理对Al-Zn-Mg-Cu合金微观组织及力学性能的影响;采用对外场（电脉冲、旋转磁场、电脉冲+旋转磁场复合）作用下凝固的合金施加电脉冲热处理的方法,研究外场细化+电脉冲强化协同作用的有效性。旨在探索Al-ZnMg-Cu合金性能提升和工艺优化的可行路径。Al-Zn-Mg-Cu合金凝固过程中施加电脉冲、旋转磁场及电脉冲+旋转磁场,合金的晶粒细化效果及力学性能均得到不同程度的提升。研究发现电脉冲、旋转磁场、电脉冲+旋转磁场复合作用下凝固组织均得到细化,旋转磁场对合金力学性能的提高最显著。采用脉冲电流700 A、脉冲频率50 Hz的电脉冲处理后,平均晶粒尺寸由常规凝固时的140.3μm减小到102.9μm,合金抗拉强度提升到210.5 MPa,与常规凝固相比提升了20.6%。由于电脉冲的作用,一方面使熔体产生对流,加速熔体内热量散失,冷却速度增加;另一方面促进溶质原子扩散,显著改善了晶界的偏析程度,降低晶体形核势垒,熔体内晶核数量增加,晶粒得到细化。采用磁场频率14.0 Hz、磁场电流100 A的旋转磁场处理后,平均晶粒尺寸进一步减小到96.4μm,合金的抗拉强度显著提升到219.3 MPa,伸长率增加到9%。由于感生电流的作用产生涡流,使熔体做离心运动,合金凝固时的冷却速度进一步增大,单位时间内形成的晶核数量增加,获得更多细小等轴晶。由于磁场电流和磁场频率是获得细小的晶粒的主要因素,施加较大的磁场电流,可使熔体旋转速度增大,从而加速熔体内热量散失,冷却速度增加,同时界面处的柱状晶受到较大的洛伦兹力作用更容易发生断裂;施加较小的磁场频率,可使磁场穿透能力增强,晶粒细化效果更显著,通过正交试验优化了电脉冲+旋转磁场复合处理合金凝固组织的参数,采用脉冲电流700 A、脉冲频率30 Hz、磁场电流150 A、磁场频率3.5 Hz的复合场处理后,平均晶粒尺寸进一步减小到95.8μm,合金的抗拉强度为211.3 MPa。对Al-Zn-Mg-Cu合金分别进行电脉冲热处理和电脉冲辅助热处理,发现电脉冲热处理的强化效果优于电脉冲辅助热处理;Al-Zn-Mg-Cu合金经过134 A脉冲电流处理60 min时,合金的抗拉强度和伸长率显著增加到505.7 MPa、7.35%,比常规热处理后合金的抗拉强度提升了40.7 MPa,固溶时间缩短1 h;由于大量电子定向移动促进溶质原子扩散,使合金的空位浓度增加,为时效处理时更多析出相析出创造了有利条件;在电脉冲作用下,Al-Zn-Mg-Cu合金时效处理时析出相形核所需的热力学能垒降低,可使析出相的形核率提高,采用64 A脉冲电流时效处理4 h较常规热处理后的合金抗拉强度提高了14.1 MPa,伸长率增加4.45%,时效时间缩短了12 h。对外场作用下凝固的Al-Zn-Mg-Cu合金进行电脉冲热处理和电脉冲+温度场复合热处理,研究发现旋转磁场作用下凝固的Al-Zn-Mg-Cu合金又经电脉冲热处理后抗拉强度提升最为显著,由常规热处理的423.4 MPa显著提升到488.7MPa,验证了“外场细化+电脉冲强化协同作用”方法的有效性,合金的微观组织得到改善、力学性能得到进一步提升。
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