高强可焊7A52铝合金板材热处理及其相关基础研究

论文摘要

论文以7A52铝合金制备过程中的热处理工艺优化和焊接接头组织性能演变方面的基础科学问题为研究对象,采用近代物理研究方法着重研究了均匀化处理对7A52合金铸锭组织和性能的影响、固溶—时效处理方式和工艺对7A52合金板材组织与性能的影响,在此基础上还研究了7A52合金板材焊接及焊接接头组织与性能。主要结论如下:1.7A52合金半连续铸锭中存在比较严重的枝晶偏析,需要进行均匀化处理。铸锭均匀化过程中,400℃以下主要是亚稳过饱和铝基固溶体分解析出η相,400℃以上枝晶偏析逐渐消除、分解析出的η相重新溶入固溶体。与此同时,固溶体分解析出Al6Mn初晶相。2.铸锭均匀化过程中,合金硬度和电导率随均匀化温度和时间的增加出现规律性的变化,这种变化主要由过饱和铝基固溶体分解析出η相和分解析出的η相重新溶入固溶体来控制。发现固溶体基体点阵常数与基体固溶度、宏观铸造应力和微观应力密切相关,可以通过点阵常数测量来监控铸锭均匀化过程。3.7A52合金半连续铸锭合宜的均匀化处理工艺为470℃保温24h。在此条件下,枝晶偏析消除、分解析出的η相重新溶入固溶体、Al6Mn初晶相充分析出、固溶体基体点阵常数趋于稳定、宏观铸造应力和微观应力也基本消除。4.双级强化固溶能使7A52合金的固溶温度超过多相共晶点温度、更有效地减小和消除粗大的过剩相和增加淬火后固溶体的过饱和度。7A52合金板材合宜的双级固溶工艺为460℃/2h+480℃/1h。5.7A52铝合金有很强的时效强化效应,合金板材经460℃/2h+480℃/1h强化固溶之后的120℃/24h峰值时效,合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和电导率分别达到495MPa、438MPa、11.3%和29.16%IACS。但是,抗应力腐蚀性能差,主要原因是η相在晶界连续分布,晶界成为腐蚀通道,在外应力的作用下,裂纹容易在晶界处萌生和扩展。6.强化固溶-105℃/8h+130℃/14h双级时效是7A52铝合金最佳热处理工艺。在此条件下,合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度和电导率分别为500MPa、444MPa、11.1%、157和31.9%IACS。7.影响7A52铝合金腐蚀性能的主要因素为G.P.区、η′、η和无沉淀析出带（PFZ）。G.P.区、η′、η电极电位比较低,容易与铝基体和PFZ构成微电池成为阳极而溶解。晶界析出相尺寸越大分布越不连续,合金的抗蚀性能越好,反之晶界析出相尺寸越小且呈链状分布,则合金的抗蚀性能越差。双级时效处理后,合金的抗蚀性能显著改善。8.采用Sc、Zr和Ti复合微合金化的Al-Mg-Sc-Zr焊丝对固溶-时效态的7A52合金板材进行焊接,在氩弧焊条件下,焊接接头σb=358MPa,σ0.2=238MPa,δ5=6.6%,焊接系数为0.72,达到了7A52铝合金板材焊接设计的目标。9.7A52铝合金板材焊接接头上存在焊缝区、半熔化区、热影响区和基材区,其中热影响区又分为淬火区和软化区。焊缝的强度主要来源于Sc、Zr和Ti产生的晶粒细化强化以及焊缝凝固过程中形成的Al3Sc、Al3Zr和TiAl3等初晶相的弥散强化。软化区是由于焊接加热时沉淀强化相粗化的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 Al-Zn-Mg合金的研究概况
• 1.1.1 国外Al-Zn-Mg系铝合金的发展
• 1.1.2 国内Al-Zn-Mg系铝合金的发展
• 1.1.3 Al-Zn-Mg合金研究需要解决的问题
• 1.1.4 Al-Zn-Mg合金的研究方向
• 1.2 Al-Zn-Mg合金的合金化机理
• 1.2.1 主合金元素的作用
• 1.2.2 微量元素的作用
• 1.3 Al-Zn-Mg合金的强化机理
• 1.3.1 Al-Zn-Mg合金的脱溶沉淀
• 1.3.2 G.P.区固溶线
• 1.3.3 空位在脱溶过程中的作用
• 1.3.4 晶界处的无沉淀区（PFZ）
• 1.3.5 时效硬化机理
• 1.3.6 Al-Zn-Mg合金中η',η析出相的结构模型
• 1.4 Al-Zn-Mg合金的腐蚀机理
• 1.4.1 孔蚀
• 1.4.2 晶间腐蚀
• 1.4.3 剥落腐蚀
• 1.4.4 应力腐蚀
• 1.5 Al-Zn-Mg合金的热处理工艺
• 1.5.1 均匀化处理工艺
• 1.5.2 固溶处理工艺
• 1.5.3 时效处理工艺
• 1.6 Al-Zn-Mg合金的焊接
• 1.6.1 铝合金的焊接特点
• 1.6.2 铝合金常用焊接工艺
• 1.6.3 焊接填充材料的选择
• 1.7 本论文的研究目的与研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验材料和实验研究方案
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 热处理实验
• 2.2.2 焊接热模拟试验
• 2.2.3 焊接实验
• 2.2.4 性能测试
• 2.2.5 腐蚀实验方法
• 2.2.6 组织结构分析
• 第三章 均匀化处理对7A52合金铸锭组织和性能的影响
• 3.1 7A52合金铸锭的特征
• 3.1.1 7A52合金铸锭的DTA热分析
• 3.1.2 合金铸锭的成分和组织的不均匀性
• 3.2 均匀化工艺对铸态7A52合金性能的影响
• 3.2.1 不同均匀化处理条件下铸锭硬度的变化规律
• 3.2.2 不同均匀化处理条件下铸锭电导率的变化规律
• 3.3 均匀化工艺对铸态7A52合金微观组织结构的影响
• 3.3.1 不同均匀化处理条件下的合金金相组织
• 3.3.2 铸锭的物相组成及高温物相转变分析
• 3.3.3 合金铸锭的基体点阵常数随均匀化时间的变化
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 7A52合金的铸态组织
• 3.4.2 均匀化处理对铸态合金显微组织的影响
• 3.4.3 均匀化处理对铸态合金硬度影响
• 3.4.4 均匀化处理对铸态合金电导率的影响
• 3.4.5 均匀化过程中基体晶格的变化规律
• 3.4.6 7A52合金合理均匀化温度的选择
• 3.4.6 7A52合金合理均匀化时间的选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 强化固溶对7A52合金板材组织与性能的影响
• 4.1 单级固溶对合金组织与性能的影响
• 4.1.1 固溶温度对合金性能的影响
• 4.1.2 固溶时间对合金性能的影响
• 4.1.3 固溶温度对固溶度的影响
• 4.1.4 固溶时间对固溶度的影响
• 4.1.5 固溶处理对合金组织的影响
• 4.1.6 固溶处理对共晶温度的影响
• 4.2 双级固溶处理对合金性能的影响
• 4.2.1 第一级固溶温度对合金性能的影响
• 4.2.2 第一级固溶时间对合金性能的影响
• 4.2.3 第二级固溶温度对合金性能的影响
• 4.2.4 第二级固溶时间对合金性能的影响
• 4.2.5 双级固溶合金的金相组织
• 4.2.6 透射电子显微组织观察
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 单级固溶处理对合金板材组织和性能的影响
• 4.3.2 双级固溶处理对合金板材组织和性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 7A52合金板材的单级时效特性
• 5.1 时效处理对力学性能和电导率的影响
• 5.1.1 时效温度对力学性能和电导率的影响
• 5.1.2 时效时间对力学性能和电导率的影响
• 5.2 时效处理对腐蚀性能的影响
• 5.2.1 时效温度对合金晶间腐蚀性能的影响
• 5.2.2 时效时间对合金晶间腐蚀性能的影响
• 5.2.3 时效温度对合金剥落腐蚀性能的影响
• 5.2.4 时效时间对合金剥落腐蚀性能的影响
• 5.2.5 时效制度对合金应力腐蚀性能的影响
• 5.2.6 时效温度对合金极化曲线的影响
• 5.2.7 时效时间对合金极化曲线的影响
• 5.3 时效过程中合金的显微组织结构演变
• 5.3.1 不同时效制度下的析出行为
• 5.3.2 不同时效态样品的透射电镜（TEM）观察
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 7A52合金板材的强化机理
• 5.4.2 7A52合金板材晶间腐蚀和剥落腐蚀机理
• 5.4.3 时效制度对合金腐蚀敏感性的影响
• 5.4.4 7A52合金板材的腐蚀电化学分析
• 5.4.5 时效制度与合金抗应力腐蚀性能的关系分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 双级时效对7A52合金板材组织与性能的影响
• 6.1 双级时效的正交试验
• 6.1.1 正交实验结果
• 6.1.2 极差分析
• 6.1.3 最优双级时效工艺
• 6.1.4 验证实验
• 6.2 双级时效对7A52合金板材腐蚀性能的影响
• 6.2.1 双级时效对合金晶间腐蚀的影响
• 6.2.2 双级时效对合金剥落腐蚀的影响
• 6.2.3 双级时效合金的极化曲线
• 6.2.4 双级时效对合金抗应力腐蚀性能的影响
• 6.3 双级时效对合金析出行为的影响
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 预时效温度和时间对合金组织性能的影响
• 6.4.2 终时效温度和时间对合金组织性能的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 7A52合金板材焊接和焊接接头组织性能研究
• 7.1 7A52合金板材的焊接热模拟
• 7.1.1 不同峰值温度对热模拟试样性能的影响
• 7.1.2 焊接热模拟试样的冲击断口形貌分析
• 7.1.3 焊接热模拟峰值温度对微观组织的影响
• 7.2 7A52合金板材的焊接组织与性能
• 7.2.1 焊接接头的硬度分布
• 7.2.2 焊接接头的拉伸力学性能
• 7.2.3 焊接接头的金相显微组织
• 7.2.4 焊接接头的透射电子显微组织
• 7.2.5 焊接接头的物相组成
• 7.3 分析与讨论
• 7.3.1 焊缝区的组织与性能
• 7.3.2 焊缝区边缘柱状晶组织的形成
• 7.3.3 热影响区的形成、组织特征与性能
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读博士学位期间取得的主要成果