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湖南大学蒋福林团队:新型淬火工艺,降低7系铝合金残余应力

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厚的Al-Zn-Mg-Cu合金产品由于具有高强度,抗应力腐蚀开裂和韧性的优点,在现代航空航天工业中是至关重要的轻质结构材料。在时效过程中,通过分解淬火过程中产生的过饱和固溶体形成大量的纳米沉淀,满足了所需的性能。然而,淬火过程会产生显着的残余应力,从而在后续的机加工和维修过程中使得产品性能下降。当出现显著的残余应力时,由于残余应力引起的变形或开裂,可浪费掉高达95%的原材料。因此,为了满足实际应用要求,必须将工业Al-Zn-Mg-Cu合金中的残余应力控制在极低的水平。

来自湖南大学的蒋福林团队提出了一种新颖的包覆淬火方法,在Al-Zn-Mg-Cu合金表面包覆了高温无机胶粘剂和铝箔,可以直接降低淬火引起的残余应力。研究了时效合金的力学性能,电导率,显微组织。相关论文以题为“Reduced residual stress and retained properties in Al-Zn-Mg-Cu alloys using a novel cladding quenching process”发表在 Journal of Materials Research and Technology。

论文链接:

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

通常,由于高的淬火敏感性,Al-Zn-Mg-Cu合金中不能同时实现低残余应力和高的力学性能。对于可热处理铝合金,时间-温度-性能(TTP)曲线可作为优化热处理的重要参考。TTP曲线可以根据淬火持续时间预测临界温度范围,在该温度范围内冷却速率必须足够高以防止高温析出。TTP曲线代表了7150铝合金的最大可达到的维氏硬度的99.5%,C曲线内的区域是发生快速高温析出的区域,或者在淬火过程中过饱和固溶体无法很好地凝固。结果表明,试样CWQ、CQ0.6淬火期间不会发生分解过饱和固溶体的析出,样品在人工时效后均获得了更好的机械性能。

湖南大学蒋福林团队:新型淬火工艺,降低7系铝合金残余应力

图1时效合金的力学性能和电导率

湖南大学蒋福林团队:新型淬火工艺,降低7系铝合金残余应力

图2 7150铝合金的TTP曲线与实验淬火冷却曲线的组合

在这项工作中,淬火样品(CQ和CWQ)在淬火过程中由于很少高温析出而保留了大部分过饱和固溶体。在时效试样中,TEM图像显示了相似的晶粒内部的纳米沉淀特征,因此,固溶强化和析出强化的强化效果应该相似。在CWQ合金中,所观察到的位错能产生轻微的强化作用,加速析出过程的形成。因此,在相同的时效处理下,CWQ试样的硬度和强度略高于CQ试样。此外,CQ 0.6试样的延伸率提高可能是由于晶界析出物不连续造成的。

湖南大学蒋福林团队:新型淬火工艺,降低7系铝合金残余应力

图3 时效合金的透射电镜照片

研究表明,残余应力随着包层厚度的增加而减小,并且在0.6mm的包层厚度下几乎消除。在覆层厚度为0.4-0.6mm的覆层淬火后,时效合金试样保持了优异的力学性能和导电性能。残余应力的降低与调整7150铝合金表面与芯部冷却曲线的差异,消除包层淬火过程中的表面压应力有关。

湖南大学蒋福林团队:新型淬火工艺,降低7系铝合金残余应力

图4样品外观的比较(a)淬火前和淬火后(b)CQ0.2,(c)CQ0.4和(d)CQ0.6

综上所述:采用包层淬火工艺的时效合金试样的位错密度比采用常规淬火工艺时效的合金试样的位错密度低,晶粒内部纳米析出特征相似,晶界不连续析出较多,这与保持机械性能和提高导电性相对应。该研究还进一步研究有限元分析和时间-温度-性能曲线,对减少残余应力和保持性能进行深入机理的探讨,从而对进一步研究提供理论依据。(文:33)

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