[铝合金] 超高强铝合金

发表时间：2020-09-08 22:15

若以超高强度钢的比强度为标准，可将屈服强度在500MPa以上的铝合金被称为超高强度铝合金。

铝合金中强度最高的属7xxx系铝合金，它包含有两类，一是Al-Zn-Mg-Cu系，二是不含铜的Al-Zn-Mg系。其中，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金因具有密度小、比强度高和良好的加工性能等优点而广泛应用于航空航天领域，并成为这个领域中重要的材料。7xxx系铝合金材料的85%以上用于航空航天器制造领域，其他领域如轨道车辆等用的7N03合金等仅是少数。

7xxx系铝合金的研究与开发虽然取得了重要进展，而且广泛用于与航空航天等工业中，但是，在产业化应用中仍然存在一个突出的问题——以牺牲强度、韧性的代价来获得较高的抗SCC性能（抗应力腐蚀断裂）。因此，通过优化合金的成分，采用新型的制备方法、成形加工及热处理工艺，研制开发出了既具有较高的的抗拉强度，又能保持较高的韧性和耐腐蚀性，且成本较低的超高强铝合金，从而极大的促进了该类材料在航空工业生产中的广泛应用。

国外超高强铝合金研制基本上是沿着高强低韧→高强高韧→高强高韧以及良好的耐腐蚀方向发展；与之对应的热处理状态的开发则是沿着T6→T73→T76→T736(T74) →T77方向发展。在合金设计方面沿着合金化程度越来越高，铁和硅等杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理方向发展，最终使得合金的强度得到大幅度提高，同时合金兼具优异的综合性能。不同时效制度之间铝合金的强度对比如下图：

图1 各种时效制度之间的强度对比

我们都知道结构决定性能，说起铝合金的性能，首先得了解其组织结构；图1是Al-Zn-Mg-Cu铝合金显微组织解析图，图中指出了合金的主要相分布及状态：基体为结晶形成的粗大椭球状的铸态相，一般为微米级，包括可溶和部分可溶的金属间化合物；合金在均匀化处理及其它高温处理过程中形成的弥散沉淀颗粒，一般为亚微米级；时效析出相大部分为盘状、棒状圆球状，尺度在纳米级。

晶粒内部基体沉淀相MPt(Matrix precipitations)、晶界沉淀相GBP(Grain boundary precipitations)以及晶界无沉淀析出带PFZ(Precipitation-free zones)三者的形状及特征共同决定合金的宏观性能。通过调控化学成分、加工工艺和热处理来控制这些组织，从而控制合金的性能。

1. 基体沉淀相

基体沉淀相（MPt）主要有GP区、η’相和η相等，它们决定合金的强度，但是对于到底是哪一种基体沉淀相，对合金强度起主导作用，各种基体沉淀相占多大的比例能使合金具有最佳的强韧性以及良好的抗应力腐蚀性能，对此，人们所持的观点却不尽相同，主要有以下三种观点：

(1)Alder P N等认为GP(Guinier Preston)区是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金T6态的主要强化相，因为基体中的GP区存于在会产生内应力，使得合金强度得以提高；位错运动遇到GP区时，GP区阻碍位错的运动，从而增加了合金的强度。

(2)相关文献发现采用共格与半共格质点的强化公式计算7050铝合金的强度，计算出合金的强度更为接近实测强度。因此，认为在该系合金中起主要强化作用的是η’相，而不是GP区。

(3) Al-Zn-Mg-Cu系合金的强度由GP区和η’相两者共同决定。此外，当集体中的析出相主要由η’相组成时，合金具有良好的断裂韧性以及优异的抗应力腐蚀性能。

2. 晶界沉淀相

晶界沉淀相（GBP）一般是晶界上析出的粗大平衡相（主要有η相、S相、T相等）。由于在晶界处空位及缺陷较多，溶质原子容易在这些地方析出成核，继而形成粗大的平衡相。对于晶界沉淀相GBP的研究，还不够详细、透彻，即便同一种合金，在相同的热处理制度下，晶界析出相的大小与形态会因为晶界的（大、小角晶界等）不同而出现明显的差异。

对某一种晶界析出相的作用很难进行定量描述，而晶界析出相通常在晶界上呈现连续网状分布和不连续分布两种情况，当晶界析出相连续分布时，不利于合金抗应力腐蚀性能、韧性和塑性。因为，相对于基体晶界具有一定的滑动性，可以协调合金变形，而连续网状分布的晶界相在变形过程中阻碍晶粒的塑性变形运动，因而对材料的韧塑性有害。根据氢脆理论和阳极溶解理论，连续分布的晶界析出相也会增加合金的抗应力腐蚀开裂敏感性。因而，粗大质点且呈孤立分布的晶界沉淀相能有效地提高材料的韧塑性和抗应力腐蚀敏感性。

3. 晶界无沉淀析出带

析出相较早地在晶界、滑移带、夹杂物分界面以及其他晶格缺陷处优先形核，使得该地区较早地出现脱溶相质点。而在晶界处的局部脱溶往往在紧靠晶界附近形成一条无沉淀析出带，显微组织中表现为以亮带，一般仅为几分之一微米宽，所以只能用电镜鉴别。

目前主要由两种机制解释无沉淀析出带产生的原因。较早提出的是贫溶质机制，这种解释认为晶界处脱溶较快，较早地析出脱溶相，因而吸收了附近的溶质原子，使周围溶质原子贫乏而无法析出脱溶相，造成无沉淀带。但是存在不含粗大脱溶相的无沉淀带，用这种机制就不能充分解释，因此又提出了贫空位机制。贫空位机制认为，淬火获得的过饱和空位时不稳定的，在冷却、停放以及随后在加热时，空位容易逸出晶界及其它缺陷处，结果形成从晶内到晶界的空位浓度梯度。因此，当晶界附近空位浓度低于一定值时，脱溶相不易形成，在一定条件下，就形成了“贫空位的无沉淀带”。根据实验证实，提高淬火加热温度、加快淬火冷却速度并降低时效温度能减小无沉淀带的宽度。

一般认为，贫溶质机制和贫空位机制均会对无沉淀的形成作出贡献。高温时效则以贫溶质机制为主。低温时效时，主要为贫空位机制。而晶间无沉淀带对合金的性能影响，是利是弊说法不一，甚至完全相反。大多数人认为，无沉淀带是有害的，因为无沉淀带屈服强度较低，在应力作用下塑性变形容易集中在无沉淀带内，引起晶间断裂。此外，发生了塑性变形的无沉淀带与其它部分比较呈阳极性，在应力下加速腐蚀，成为增强晶间断裂的原因。也有人认为无沉淀带是有益的，因为无沉淀带较软，应力在其中发生松弛，软区越宽，应力松弛越完全，因而裂纹越难萌生和发展，这对力学性能特别是塑性是有利的。总之，当前对无沉淀带的利弊并没有统一的结论，但是从力学性能以及耐腐蚀性等方面看，还是希望缩小和消除无沉淀带。

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