● 摘要
Al-Zn-Mg-Cu合金以其强度高，质量轻而被广泛用于航空航天的结构材料。此类铝合金的厚板存在淬火敏感性，即由于淬火冷却速率沿短横向变化较大，心部冷却速度较慢，沿晶界、位错析出了较多的第二相，降低了基体中元素的过饱和度和空位浓度，最终造成时效强化作用减弱，合金屈服强度降低；高的淬火冷速会提高合金内应力，增大变形。本文对Al-Zn-Mg-Cu合金的淬火冷却特性和热处理过程模拟进行研究，为开发低淬火敏感性和高强度的Al-Zn-Mg-Cu合金进行了探索。对7050合金的淬火冷却特性进行了实验分析，结果表明随淬火冷速减小，合金时效时硬度上升速率有减小的趋势，且峰值硬度降低；单级时效电导率稍有上升的趋势，慢冷速淬火后时效过程中电导率值较高，且时效后晶界析出相粗大且不连续，晶内粗大析出相增多；进行常规双级时效电导率在第二级时效时迅速升高，时效后期硬度下降；进行常规双级时效或低温双级时效会降低7050合金的淬火敏感性；轧制板材不同方向组织的差异会造成性能的差异。建立并验证了淬火过程温度场的有限元分析模型，应用此有限元分析方法，对超高强铝合金厚板淬火过程沿厚度方向的温度场进行了分析和研究；利用析出相形核和长大模型解析在不同冷速条件下的析出动力学过程；基于热力学数据对模型做了合理的假设并确定参数，通过析出相量与屈服强度的联系验证模型的可行性。结果表明随淬火冷速升高淬火过程的析出相体积分数迅速减少，冷却速率高于20℃/s时对淬火过程析出相减少作用有限。淬火时效后平衡η相的体积分数随淬火冷却速率的加快而降低。在考虑了淬火应力因素后，确定了淬火过程的临界冷速为56℃/s，高于此淬火冷速时无η相析出。应用热力学解析了7075、7050、7055、7150和7085合金性能方面的差异，分析结果表明室温下总的平衡析出相体积分数与淬火敏感性有关，锌镁比的提高可以降低总的析出相的体积分数；合金中MgZn2相的体积分数与合金强度有关，随锌镁比的提高MgZn2相开始不断上升，到达峰值后开始逐渐降低；Al-Zn-Mg-Cu合金中Cu含量会影响合金中S_Al2CuMg、T_AlCuMgZn相和Al2Cu相的含量，锌铜比的提高会造成T_AlCuMgZn相的增加和S_Al2CuMg相的减少。