湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力

2020-07-09 材料material

厚的Al-Zn-Mg-Cu合金產品由於具有高強度，抗應力腐蝕開裂和韌性的優點，在現代航空航天工業中是至關重要的輕質結構材料。在時效過程中，通過分解淬火過程中產生的過飽和固溶體形成大量的納米沉澱，滿足了所需的性能。然而，淬火過程會產生顯著的殘餘應力，從而在後續的機加工和維修過程中使得產品性能下降。當出現顯著的殘餘應力時，由於殘餘應力引起的變形或開裂，可浪費掉高達95%的原材料。因此，為了滿足實際應用要求，必須將工業Al-Zn-Mg-Cu合金中的殘餘應力控制在極低的水平。


來自湖南大學的蔣福林團隊提出了一種新穎的包覆淬火方法，在Al-Zn-Mg-Cu合金表面包覆了高溫無機膠粘劑和鋁箔，可以直接降低淬火引起的殘餘應力。研究了時效合金的力學性能，電導率，顯微組織。相關論文以題為「Reduced residual stress and retained properties in Al-Zn-Mg-Cu alloys using a novel cladding quenching process」發表在 Journal of Materials Research and Technology。


論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878542031245X

湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力


通常，由於高的淬火敏感性，Al-Zn-Mg-Cu合金中不能同時實現低殘餘應力和高的力學性能。對於可熱處理鋁合金，時間-溫度-性能（TTP）曲線可作為優化熱處理的重要參考。TTP曲線可以根據淬火持續時間預測臨界溫度範圍，在該溫度範圍內冷卻速率必須足夠高以防止高溫析出。TTP曲線代表了7150鋁合金的最大可達到的維氏硬度的99.5%，C曲線內的區域是發生快速高溫析出的區域，或者在淬火過程中過飽和固溶體無法很好地凝固。結果表明，試樣CWQ、CQ0.6淬火期間不會發生分解過飽和固溶體的析出，樣品在人工時效後均獲得了更好的機械性能。


湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力

圖1時效合金的力學性能和電導率

湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力

圖2 7150鋁合金的TTP曲線與實驗淬火冷卻曲線的組合


在這項工作中，淬火樣品（CQ和CWQ）在淬火過程中由於很少高溫析出而保留了大部分過飽和固溶體。在時效試樣中，TEM圖像顯示了相似的晶粒內部的納米沉澱特徵，因此，固溶強化和析出強化的強化效果應該相似。在CWQ合金中，所觀察到的位錯能產生輕微的強化作用，加速析出過程的形成。因此，在相同的時效處理下，CWQ試樣的硬度和強度略高於CQ試樣。此外，CQ 0.6試樣的延伸率提高可能是由於晶界析出物不連續造成的。


湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力

圖3 時效合金的透射電鏡照片


研究表明，殘餘應力隨著包層厚度的增加而減小，並且在0.6mm的包層厚度下幾乎消除。在覆層厚度為0.4-0.6mm的覆層淬火後，時效合金試樣保持了優異的力學性能和導電性能。殘餘應力的降低與調整7150鋁合金表面與芯部冷卻曲線的差異，消除包層淬火過程中的表面壓應力有關。

湖南大學蔣福林團隊：新型淬火工藝，降低7系鋁合金殘餘應力

圖4樣品外觀的比較（a）淬火前和淬火後（b）CQ0.2，（c）CQ0.4和（d）CQ0.6


綜上所述：採用包層淬火工藝的時效合金試樣的位錯密度比採用常規淬火工藝時效的合金試樣的位錯密度低，晶粒內部納米析出特徵相似，晶界不連續析出較多，這與保持機械性能和提高導電性相對應。該研究還進一步研究有限元分析和時間-溫度-性能曲線，對減少殘餘應力和保持性能進行深入機理的探討，從而對進一步研究提供理論依據。（文：33）


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