鋁作為地殼儲(chǔ)量最大的元素之一，約占地殼總質(zhì)量的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)毫不猶豫地為門捷列夫制作了一個(gè)鋁杯，以表彰門捷列夫?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研究結(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，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，開裂傾向大。因此，等溫淬火通常用于減少此類問(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 高溫成型 自然時(shí)效T2 高溫成型 冷加工 自然時(shí)效T3 固溶處理 冷加工的自然時(shí)效性T4 固溶處理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)相，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)相可起到強(qiáng)化作用，能提高合金的強(qiáng)度，它的主要作用是提高抗腐蝕性能，提高基體的腐蝕電位。國(guó)內(nèi)外許多研究人員在這一方面做了許多研究。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)0合金元素.25wt%的Ni加入后，硬度可達(dá)138HB，還可生成Al 7Cu4Ni 沉淀相 前面已經(jīng)敘述到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。
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年代開始T1993年提出了77工藝的進(jìn)一步研究DSA緩飽和時(shí)效處理的概念，DSA對(duì)于連續(xù)時(shí)效處理工藝，本質(zhì)上是通過(guò)程序控制時(shí)效溫度-時(shí)間變化，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，使合金的強(qiáng)度達(dá)到更高的水平，同時(shí)提高耐腐蝕性。國(guó)內(nèi)汝繼剛等人也對(duì)鋁合金有利DSA（T6′＋DS＋T6′）經(jīng)過(guò)一系列的研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)吸的處理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可以最有效地抑制宏觀分析，提高鑄錠的表面質(zhì)量。Hz晶?？梢愿行У丶?xì)化。龔鵬等人采用半連續(xù)鑄造法，生產(chǎn)的鋁合金淬透性能優(yōu)異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系鋁合金℃、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)開發(fā)鋁基復(fù)合材料，獲得耐腐蝕性好的復(fù)合涂料。
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