鋁作為地殼儲(chǔ)量最大的元素之一，約占地殼總質(zhì)量8.2wt%，由于鋁在大氣中總是活潑的，它通常以氧化物的形式存在Al2O3中提取Al通常采用電解法，難以提取，因此鋁的發(fā)展歷史不超過(guò)200年。當(dāng)時(shí)，皇家學(xué)會(huì)毫不猶豫地為門(mén)捷列夫制作了一個(gè)鋁杯，以表彰門(mén)捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)。目前，隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，鋁合金及其復(fù)合材料因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、成型性能優(yōu)異而廣泛應(yīng)用于航空航天。7075（Al-Zn-Mg-Cu）超硬鋁合金是20世紀(jì)40年代末最早用于飛機(jī)的鋁合金材料。之后，通過(guò)添加其他合金元素，改變其合金元素的含量，改變其熱處理工藝，獲得了許多性能優(yōu)異的航空航天材料。別士強(qiáng)和其他人在那里Al-Zn-Mg-Cu添加到鋁合金中Ni結(jié)果表明，0.25%的Ni合金中除中和鐵的含量Al9FeNi 相外， 還產(chǎn)生強(qiáng)化相Al7Cu4Ni ， 在及時(shí)性過(guò)程中起沉淀硬化作用。
1.Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金
Al-Zn-Mg-Cu鋁合金是目前強(qiáng)度最高的鋁合金，其強(qiáng)度500~700MPa，加上其優(yōu)異的工藝性能，使其成為航空航天行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。Al—Zn—Mg 是在合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。其屈強(qiáng)比高，比強(qiáng)度高，但塑性低，耐腐蝕性低于純鋁，疲勞強(qiáng)度低。通常，鋁包裝是用來(lái)提高其耐腐蝕性的。使用溫度高于 120℃它會(huì)急劇軟化，包括固溶體分解和彌散相。其化學(xué)成分主要為：化學(xué)成分/%，不大于其他雜質(zhì)/%，不大于
2.Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的熱處理方法
Al-Zn-Mg-Cu超硬鋁合金通常采用退火、淬火、及時(shí)性（固體溶解加及時(shí)性）工藝進(jìn)行熱處理，以獲得較高的機(jī)械性能。固體溶解處理是將合金元素充分融入基體，固體溶解溫度過(guò)高，合金元素溶解非常充分，但通常使晶粒較厚；固體溶解溫度過(guò)低，合金元素溶解不足，影響固體溶解效果。Al-Zn-Mg合金固溶處理溫度低，淬火時(shí)的冷卻速度對(duì)強(qiáng)度影響小，室溫下的時(shí)效硬化效果好，因此廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)材料中。然后通過(guò)淬火固溶體保留到室溫，淬火效果主要取決于合金元素的溶解度、溶解方法和淬火的冷卻速度。但淬火后的鋁合金塑性明顯降低，內(nèi)應(yīng)力高，開(kāi)裂傾向大。因此，等溫淬火通常用于減少此類(lèi)問(wèn)題。而且固溶強(qiáng)化能力有限，淬火后的鋁合金強(qiáng)度不如鋼。在后續(xù)工藝中，時(shí)效處理對(duì)鋁合金的強(qiáng)化起著重要作用。時(shí)效是淬火后的鋁合金在隨后的低溫保溫一段時(shí)間后，在過(guò)飽和的固溶體中沉淀出來(lái)，從而改變強(qiáng)度、硬度等性質(zhì)的過(guò)程。根據(jù)時(shí)效溫度的不同，可分為低溫時(shí)效(自然時(shí)效)和高溫時(shí)效(人工時(shí)效)。在時(shí)效過(guò)程中，控制適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)效是相當(dāng)重要的。變形鋁合金對(duì)時(shí)效具有相當(dāng)高的敏感性。T1~T10。 狀態(tài)代號(hào)T1 高溫成形 自然時(shí)效T2 高溫成型 冷加工T3 冷加工的自然時(shí)效性 T4 固溶處理 自然時(shí)效T5 高溫成型 人工時(shí)效T6 固溶處理 人工時(shí)效T7 固溶處理 時(shí)效 T8 固溶處理 冷加工T9 固溶處理 人工時(shí)效冷加工 T10 高溫成型 冷加工
3.Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的強(qiáng)化機(jī)理
Al-Zn-Mg-Cu是鋁合金中的多種微量合金元素，以下文章將是Zn、Mg、Cu討論7075中的作用。 在Al-Zn-Mg-Cu在系鋁合金中起主要作用的合金元素是Zn、Mg，隨著Zn、Mg含量增加，強(qiáng)度顯著增加，可以形成T（Al2Mg3Zn3）相、η（MgZn2）這兩相的脫溶沉淀效果相當(dāng)顯著，是7075系鋁合金的主要強(qiáng)化手段；Cu還具有一定的強(qiáng)化作用，Cu與Al、Mg結(jié)合形成S(Al2CuMg)它可以增強(qiáng)合金的強(qiáng)度。其主要作用是提高基體的耐腐蝕性和腐蝕電位。許多國(guó)內(nèi)外研究人員在這方面做了大量的研究。梁維盛等人在Al-8.25Zn-2.4Mg-2.3Cu在鋁合金中加入微量Zr、Er分析其機(jī)械性能得出結(jié)論，復(fù)合加入Zr、Er會(huì)對(duì)鑄錠組織產(chǎn)生細(xì)化作用，主要是在凝固結(jié)晶中產(chǎn)生結(jié)晶核的核心。而且其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有了顯著的提高。Wei等人在Al-Zn-Mg-Cu系中添加Li結(jié)果表明，元素含量為1%Li能促進(jìn)沉淀相脫溶。別士強(qiáng)等人Al- Z n -M g- C u -R E 添加超高強(qiáng)度鋁合金Ni研究發(fā)現(xiàn)合金元素，0.25wt%的Ni加入后，可以達(dá)到硬度138HB，還可生成Al 7Cu4Ni 的沉淀相。 前面已經(jīng)描述過(guò)了Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的超高強(qiáng)度與其時(shí)效性密切相關(guān)。一般認(rèn)為該系沉淀相的沉淀順序?yàn)?α(過(guò)飽和固溶體)→GP 區(qū)→η”→η′相→η相(MgZn2 )。其中GP區(qū)域與母相保持共格關(guān)系，界面小，彈性應(yīng)變大；η′為過(guò)渡階段，與基體保持半共格，六方結(jié)構(gòu)，針狀，其沉淀強(qiáng)化效果最佳。如果大量生成η相、共格關(guān)系喪失、沉淀效果，稱(chēng)為過(guò)時(shí)效。時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制可分為內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)化、切割沉淀相強(qiáng)化、繞過(guò)沉淀相強(qiáng)化三類(lèi)。
4.Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金發(fā)展現(xiàn)狀
由于缺口敏感性和應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重，Al-Zn-Mg-Cu鋁合金從未應(yīng)用于航空工業(yè)。 隨著航空航天工業(yè)等民用工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)該合金提出了更高的要求，即在保持高延伸率和耐腐蝕性的同時(shí)具有更高的強(qiáng)度。通常解決這個(gè)問(wèn)題的有效措施是添加微量元素來(lái)改變熱處理過(guò)程。在國(guó)外，美國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始T771993年提出進(jìn)一步研究工藝DSA緩飽和時(shí)效處理的概念，DSA連續(xù)時(shí)效處理過(guò)程的本質(zhì)是通過(guò)對(duì)時(shí)效溫度的處理-時(shí)間變化的程序控制在合金基體沉淀相晶界中形成特殊的微原子濃度分布，降低晶界與基體的化學(xué)電位差，使合金在提高耐腐蝕性的同時(shí)達(dá)到更高的強(qiáng)度水平。汝繼剛等國(guó)內(nèi)人也對(duì)鋁合金有利DSA（T6′＋DS＋T6′）處理進(jìn)吸了一系列研究，發(fā)現(xiàn)DSA處理可顯著提高超高強(qiáng)度鋁合金的強(qiáng)度和綜合耐腐蝕性。俄羅斯有著深厚的軍事企業(yè)基礎(chǔ)，因此鋁合金的研究也處于世界領(lǐng)先水平。它的生產(chǎn)B95∏與美國(guó)7075一樣，合金首次應(yīng)用于飛機(jī)行業(yè)，具有良好的彎曲成形性能和翻邊成形能力。
在合金化學(xué)成分調(diào)節(jié)方面，我國(guó)大部分鋁合金仍需進(jìn)口的原因是成分控制不當(dāng)，無(wú)法正確解決熔爐熔化過(guò)程中熔渣、環(huán)境、成分均勻性等因素。近年來(lái)，許多學(xué)者提出凈化處理，以提高冶金的質(zhì)量和延伸率。7075 合金錠具有較小的晶粒尺寸和均勻的顯微結(jié)構(gòu)，提高鑄件和熱處理的力學(xué)性能，獲得良好的固體溶解和及時(shí)處理效果，縮短及時(shí)處理時(shí)間。Zhang等人采用低頻電鑄造Al-10Zn-2.3Mg-2.4Cu-Zr超高鋁合金錠，結(jié)果表明，該錠的內(nèi)應(yīng)力和塑性成形性能優(yōu)于普通錠，在加熱過(guò)程中，錠的內(nèi)部溫度場(chǎng)梯度較小，等溫線向上移動(dòng)。張北江等人改變了電磁場(chǎng)頻率，分析了鑄造7075鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)頻率的變化顯著影響了熔體的凝固組織；頻率為30Hz能最有效地抑制宏觀偏析，提高鑄錠的表面質(zhì)量。15Hz晶粒可以更有效地細(xì)化。龔鵬等人采用半連續(xù)鑄造法，鋁合金具有優(yōu)異的淬透性能400℃預(yù)處理左右鑄錠可促進(jìn)第二次Al3Zr均勻分散沉淀，抑制熱加工過(guò)程中的再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，提高合金工藝塑性。
在熱處理方面，特別是在及時(shí)性方面，研究及時(shí)性過(guò)程對(duì)7050 合金機(jī)械性能及其微組織的影響，開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的及時(shí)性處理過(guò)程，使國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度7050鋁合金的性能達(dá)到美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足中國(guó)航空航天工業(yè)的需求。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了許多及時(shí)性過(guò)程，包括：控制及時(shí)性溫度、停車(chē)時(shí)間、保溫時(shí)間、多級(jí)及時(shí)性等方法，并獲得了許多機(jī)械性能優(yōu)良的鋁合金，提高了耐腐蝕性。張宏偉利用二級(jí)及時(shí)性研究7075系鋁合金，二級(jí)及時(shí)性為165℃、16h7050合金擠壓帶板的縱橫抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)600 MPa和550 MPa。寧愛(ài)林等人發(fā)現(xiàn)，回歸再時(shí)效過(guò)程中的再時(shí)效可以在短時(shí)間內(nèi)回歸過(guò)程中產(chǎn)生的晶界無(wú)沉淀帶，消除合金的預(yù)時(shí)效，提高合金晶體組織的擴(kuò)散度。
5.總結(jié)及Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)
7075系鋁合金作為當(dāng)代飛機(jī)的應(yīng)力部件，具有比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比大、塑韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它是未來(lái)許多行業(yè)的支柱結(jié)構(gòu)型材。但目前，7075系超高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)業(yè)化存在諸多不足。此外，這種鋁合金耐腐蝕性差、疲勞強(qiáng)度低等缺點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。
今后，普通高強(qiáng)度鋁合金應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和研發(fā)：
(1)利用外場(chǎng)(電磁場(chǎng)等)在快凝和鑄造過(guò)程中開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度的新型超高強(qiáng)度鋁合金，增強(qiáng)基體固溶的合金元素；
(2)加強(qiáng)熔爐熔煉技術(shù)研究，深化凈化技術(shù)發(fā)展，降低熔池內(nèi)雜質(zhì)含量，不可能出現(xiàn)宏觀缺陷，減少裂紋膨脹缺陷，提高組織均勻性；
(3)開(kāi)發(fā)鋁基復(fù)合材料，獲得耐腐蝕性好的復(fù)合涂料。
聯(lián)系我們
：（群）：lvhuiduo地址：杭州市下城區(qū)官網(wǎng)47號(hào)：郵箱：lvhuiduo@.com