Ppt陈子勇-铝业讲稿

新型超高强高韧航空铝合金材料及其关键制备技术国家863计划【前沿技术研究类】合作单位：北工大、航材院、青海国鑫铝业汇报：北京工业大学陈子勇教授所属领域：新材料技术领域Outline一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究四、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及样件制备五、结论一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征晶间共晶晶内结晶铸态组织晶内晶界残留相均匀化组织微米析出相、晶界主导断裂晶界析出相制约腐蚀晶内纳米析出相主导强度亚微米沉淀相阻止基体再结晶最终显微组织均火处理变形及热处理组织遗传与演变抗拉强度高≥500MPa；延伸率≥6%；断裂韧性≥20MPa·m1/2;淬透性低，如7055仅40mm;耐蚀性差，一般为EB级，KISSC低约为7MPa·m1/2；铸造性能不好，易产生偏析、热裂、冷裂；加工变形（锻造、轧制、挤压）困难。机械及加工性能一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征舰载无人机陆基无人机军机客机轨道交通应用领域一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征：Zn＜8%：Zn≥8%合金上限含量（%）1011121314时间（年）1940年1950年1960年1970年1980年1990年2000年7075-T6高强度7475-TXX高强、耐蚀7050-TXX高强、高韧、耐蚀7055-T77超高强、耐蚀7085-T74超高强、高淬透高强高强、高韧、耐蚀

超高强、耐蚀高强、高淬透下一代国外超高强铝合金的发展一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征7707570507475715070557085强度、断裂韧度

抗应力腐蚀断裂韧度断裂韧度，剥落腐蚀改善强度断裂韧度

淬透性美国：俄罗斯：B95B96B95чB96Ц31933强度、断裂韧度

抗应力腐蚀断裂韧度塑性，断裂韧度，强度断裂韧度

淬透性热处理状态：T6→T73→T76→T736（T74）→T77（T78、T79）热处理状态：T1→T3→T2高强度、低韧性→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展7xxx系合金主体合金牌号及热处理状态的演变一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征高强/高韧高韧/高淬透性高强/高韧/高耐蚀仿制/研究国外牌号国内生产装备/技术特点主干合金本地化以7050为基础合金国内主干合金确定主元素成分调整微合金化元素调整Zn、Mg、CuEr、Zr、Cr、Mn、Ti联合加入Zn：8~10.5、Mg：1.2~2.3、Cu：1.3~2.0、Er:0.2~0.5研究思路：可焊总体技术路线：国内超高强铝材发展思路及技术路线7A55、7A60、7A85一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征1）先进铝合金均受美铝、加铝、德铝和凯撒铝业等国际寡头专利垄断；2）国外加紧了在中国的的专利布局，其中高锌（10wt.%）超高强耐损伤铝材开始在中国专利申请；3）国内实现了三代铝合金的批量生产，四代铝合金及高Zn的超高强铝合金研究落后；没有自主知识产权技术落后国内超高强铝材现状一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征国内超高强铝合金存在问题：成分范围被国外专利封锁，高性能组织模式不清大尺寸铸锭熔铸困难，冶金质量及均匀性不好精密挤压材质量差，挤压型材尺寸受限缺乏自主产权的热处理技术与装备一、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的特征②创立一个新牌号，形成适于国内装备条件的超高强高韧耐蚀铝合金整套制备技术；③强度比第四代7055的提高20%，达600MPa以上，其它性能与7055相当；T74状态强度与第四代7055的T77状态相当，淬透性更好，可以制备40-80mm的中厚板。材料实现跨代设计，突破国外专利封锁①形成高通量、多层次强韧化耐蚀设计理论；二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制No.DateZnMgCuσb(MPa)δ(%)KIC(MPa.m1/2)characteristic707550年代5.1-6.12.1-2.91.2-2.0510626低强度、低断裂韧性及耐蚀性能705590年代7.6-8.41.8-2.32.0-2.6593724高强高韧、较低耐蚀性能、低淬透性708521世纪初7.0-8.01.2-1.81.3-2.0515831低强度、高韧性高淬透超铝新一代≥10降低降低700835高强高韧、较好耐蚀性(兼顾高损伤、高淬透)典型牌号合金主元素含量、锌镁比、铜镁比变化趋势图（一）合金成分的设计①1—3组(Zn+0.8Cu)/Mg=6，考察Zn含量对合金性能的影响；②2、4组考察微合金元素Er对合金性能的影响；③2、5组在Cu取下限时，考察(Zn+0.8Cu)/Mg分别为6，7的合金性能的变化。合金编号合金元素含量（wt.%）ZnMgCuZrErBeAlXHJ-19.01.7(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-210.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-311.02.1(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-410.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.120.060.002bal.XHJ-510.01.6(±0.3)1.4(±0.3)0.1200.002bal.二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（二）铸造与变形工艺

铸造采用常规半连续铸造技术，浇注温度670~750oC，铸造速度20~200mm/min。半连铸制得的原始铸锭规格为Φ286mm，重量为230kg。半连续铸造结晶器二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制合金锻造工艺为：棒材在400℃保温1h，随后分两步进行模锻，将其锻压成厚度约为20mm的盘状，总的变形量为82%。锻压时上下模加热温度为400~420℃。锻压后材料空冷。合金锻造示意图二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制

合金在400℃挤压，挤压比15.4︰1，即将合金由截面直径280mm的棒材挤压成截面100mm×40mm的带板。为了区别挤压带板的各向异性，将挤压方向即纵向用字母L表示，垂直挤压方向的长横向用T表示，短横向用S表示。合金挤压示意图二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（三）热处理工艺与性能表征锻造材料：a)b)合金锻造后热处理示意图a)单级时效处理,b)双级时效处理二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制锻造材料：合金锻造后单级时效性能合金σb/MPaσ0.2/MPaδ5/%γ/%IACSXHJ-27006698.731.4XHJ-37036748.431.4二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（四）Zn11合金精确热处理强韧化工艺与性能表征挤压材料（L）：时效工艺对应T×状态Hvσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KΙC/MPam1/2120oC/24hT6213.67437236.830.66110oC/2h+160oC/10hT74196.36556467.236.93120oC/24h+190oC/15minT78202.17236878.945.12120oC/24h+180oC/60min+120oC/24hT77203.56866817.033.26二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（五）Zn10合金精确热处理强韧化工艺与性能表征挤压材料（L）：双峰时效工艺HVσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KIC/MPa1/2120℃/24h+190℃/5min203.27537309.036.2120℃/24h+190℃/10min201.372068012.041.9120℃/24h+190℃/15min204.071870813.035.2120℃/24h+190℃/20min208.173867610.734.8二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（六）Zn/Mg比对合金性能的影响合金Zn+Mg（wt.%）Zn/Mgσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%KIC/MPam1/2XHJ-313.104.877487238.330.2XHJ-411.994.937637339.331.4XHJ-511.666.0671568011.334.3Zn/Mg6.064.934.87合金Zn+Mg和Zn/Mg比值以及单级峰值时效后性能二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（七）合金淬透性研究25mm100mm15mm试样夹头喷水嘴140mm水淬端硬度测试截面10mm140mm25mmL试样取样位置图末端淬火实验示意图二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制三种合金的端淬曲线

XHJ2和XHJ4的淬透深度相近，可以达到60mm，XHJ5相对于前两种合金淬透深度有较明显的优势，可以超过80mm。合金编号合金元素含量（wt.%）ZnMgCuZrErBeAlXHJ-210.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.1200.002bal.XHJ-410.01.9(±0.3)1.7(±0.3)0.120.060.002bal.XHJ-510.01.6(±0.3)1.4(±0.3)0.1200.002bal.二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制两种合金的TTP曲线—硬度的90%

两种合金的敏感温度区分别约为210-390℃和220-370℃，鼻尖温度分别约为303℃和267℃，孕育时间约为14.03s和22.73s，XHJ5表现出较低的淬火敏感性。二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制时效工艺Ecorr（Vvs.SCE）icorr（µA/cm2）单峰时效-0.848.175双级过时效-0.743.286双峰时效-0.8117.11回归再时效-0.785.012Zn11合金挤压带板腐蚀性能二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制（八）合金耐蚀性能研究（九）合金时效微观组织演变ab

AlZnMgCuErZr(a)Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu,(b)Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu-0.12Zr-0.06Er合金393K下时效初期(001)面的溶质原子分布形成Zn/Mg原子簇、Zn/Mg/Cu复合团簇添加Zr、Er合金的原子簇更弥散细小时效初期Zn/Mg原子簇平均尺寸变化MonteCarlo模拟合金固溶态的DSC曲线二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制Al3ErGPⅡGPⅡAl3ErAl-10Zn-1.9Mg-1.7Cu-0.12Zr-0.06Er合金超常稳定相及

区形态SSS(过饱和固溶体)→GPⅡ区→亚稳η’相→η相二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制120℃/72h时效后XHJ-4的TEM显微组织165℃/8h时效后XHJ-4的TEM显微组织135℃/24h时效后XHJ-4的TEM显微组织二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制20nmaPFZ50nmbc合金在120oC/24h+190oC/15min时效的TEM显微组织及衍射花样

(a)晶内,(b)晶界,(c)[]AlSADPZn10+Zn/Mg5.97Zn10+Zn/Mg6.95Zn10+Zn/Mg5.97+ErEr微合金化高Zn铝合金带板心部晶界组织加Er后，晶界断续球化二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制热处理制度基体沉淀相种类基体沉淀相尺寸晶界沉淀相无沉淀析出带固溶————————90℃/24hGP+（少量）η'3~5nm连续约15nm——120℃/0.5hGP3~5nm连续约10nm——120℃/24hGP+η'3~5nm5~8nm连续15~20nm约25nm120℃/72hGP+η'+η7~8nm断续30~35nm40~50nm135℃/24hGP+η'9~12nm连续30~35nm40~50nm165℃/8hGP+η'+η10~20nm断续约25nm约35nmXHJ-4时效析出过程显微组织演变特征二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制时效工艺MPtGBPPFZ120oC/24h细小；相晶界很窄，晶界析出相部分沿晶界连续分布宽度约30nm110oC/2h+160oC/10h粗大；相、相晶界沉淀相粗化严重，呈棒状，沿着晶界断续分布较明显，宽度约35nm120oC/24h+190oC/15min细小；相、相晶界析出相比过时效尺寸要小，沿着晶界断续分布宽度约25nm120oC/24h+180oC/60min+120oC/24h粗大；相、相晶界沉淀相粗化较严重，呈棒状，沿着晶界断续分布较明显，宽度约70nmZn11（XHJ-3）在不同时效状态下的显微组织特点二、超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的跨代设计与研制三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究（一）复合变质细化中间合金的制备熔体自蔓延反应法合金成分重量（Kg）编号铝锭质量(kg)中间合金质量(kg)粉末(kg)AlTiC/BAl-5Ti-1B-0.1Er50143.40.834.2192.50.5Al-5Ti-0.3C-0.2Er50244.51.662.622.50.151.将粉末按上表比例均匀混合，压制预制块。2.将铝锭熔化，调整到所需温度，用石墨钟罩压入预制块，搅拌十分钟。3.待反应结束，除气精炼，静置扒渣，浇铸成型。挤压杆材Al-Ti-B合金铸态组织(a)0Er(b)0.1Er（二）复合变质细化中间合金的组织特征三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究abcAl-Ti-B合金挤压态组织(a)自制(b)国产(c)进口三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究acbgdefAl-Ti-B-Er添加量(wt.%)对Al-10Zn-1.9Mg-1.6Cu-0.12Zr合金铸态组织的影响，a.0b.0.2c.0.5d.07e.1f.1.5g.2三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究Er对Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu合金铸态晶粒度的影响铒添加量对Al-10Zn-1.9Mg-1.7Cu合金凝固组织的影响（1）0Er（2）0.1Er（3）0.2Er（1）（2）（3）（三）Er含量对凝固组织的影响三、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固组织控制研究合金成分：Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu-0.12Zr均匀化工艺：400℃/4h+467℃/30h挤压工艺：预热400℃/0.5h，430℃挤压，挤压比：17.6:1固溶工艺：472℃/3h淬火：20℃～25℃120℃/21h；120oC/24h+190oC/15min；110oC/24h+160oC/10h优化的成分与成形工艺高强高强高韧高韧耐蚀四、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及样件制备Ф400mm的Zn10合金铸锭低倍组织断口四、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的材料及样件制备Zn10合金深水鱼雷壳体样件Ф350×1200×δ4.5mmZn10合金挤压带板40×100×4500mm四、高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的材