基于小角散射技术的Al-Zn-Mg-Cu合金纳米尺度沉淀析出相研究

The age-hardenable Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloys are widely used in the aerospace industry, due to their high strength and high toughness. The strengthening effect mainly comes from the coherent and semi-coherent nanoscale precipitates formed during the aging process. Quantitative information on the microstructures of the nano-precipitates (including their shape, size distribution, volume fraction, inter-precipitate distance and chemical composition), play an important role in the evaluation of alloy performance and the design of alloy composition and aging process. The present project chooses Al-Zn-Mg-Cu alloys with different compositions as the objects, and gives a quantitative study on the evolution of the nano-precipitate microstructures during different aging processes, based on the Synchrotron X-ray and Neutron Small-angle Scattering and Anomalous Small-angle X-ray Scattering Techniques. First, the in-situ small-angle scattering and anomalous small-angle scattering techniques applied to aluminum alloys will be developed, which are used to study the geometrical characteristics of precipitates and Cu/Zn contents in precipitates respectively. The relative quantitative analytical models will also be constructed. Based on the study, the coupling effects of alloy composition and the aging process parameters (temperature and time) on the microstructures of nano-precipitates will be revealed. And the effects of Cu and Zn elements on the precipitation kinetics mechanism will be demonstrated. On this basis, quantitative relationships between the microstructures of nano-precipitates and the mechanical properties as well as corrosion resistances of alloys will be established. Finally, the intrinsic correlations between the alloy composition & aging process, the microstructures of nano-precipitates and the comprehensive performances of Al-Zn-Mg-Cu alloys will be built.

广泛应用于航空航天领域的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是典型的可时效强化型合金，其强化效果主要来自于时效过程中析出、尺度为纳米级、与基体呈共格或半共格关系的沉淀相。定量研究沉淀析出相的体积分数、尺寸分布、形状、质点间距及其化学组成，对合金综合性能预测、指导合金成分与工艺设计具有重要的作用。本项目拟以不同成分的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金为研究对象，主要依托同步辐射X射线和中子小角散射及反常小角散射技术，围绕时效过程中沉淀析出相的变化及其与合金性能的关联性，构建小角散射/反常小角散射技术应用于铝合金沉淀析出相几何特征及其化学组成的原位表征新方法及其定量解析模式，探明合金成分和时效工艺对沉淀析出相的耦合影响规律，了解Cu、Zn元素对析出动力学的影响机制，建立合金力学及抗腐蚀等性能与沉淀析出相数量、分布及其化学组成之间的定量关系，揭示合金成分和时效工艺－沉淀析出相－综合性能的内在关系。

本项目从成分和时效工艺入手，对不同成分和状态7000系铝合金中析出相的几何特征及Cu/Zn元素含量进行了研究。在此基础上，对合金成分与时效工艺－沉淀析出相几何特征及Cu/Zn含量－合金力学与抗应力腐蚀性能之间的关联性进行了探讨。 . 工作之一对T6状态下不同合金中析出相的几何特征进行了定量研究。结果表明：同一合金中所有析出相均可用同一形状因子的回转椭球或同一厚度的盘来近似。两种近似下，模拟获得不同合金中析出相的尺寸接近，体积分数在1.3%~4%之间，数量密度在1017cm-3量级。对比性能可见：1）T6状态下，不同合金中析出相体积分数/数量密度随合金中Zn+Mg+Cu总含量及Zn/Mg比值的增加而增大；2）大体上，析出相体积分数/数量密度越大的合金，其强度也较高一些。. 工作之二对同一合金在不同时效制度下析出相的几何特征进行了定量研究。结果表明：T6状态下，析出相的尺寸和体积分数最小，而数量密度最大；T7X状态下，随着过时效程度加深，析出相的尺寸和体积分数都不断增大，而数量密度不断降低；RRA状态下，析出相的尺寸、体积分数及数量密度等值均介于T79态和T76态之间。对比性能可见：不同时效状态下，合金中析出相的尺寸越小，数量密度越大，对应状态合金的强度越高；析出相的体积分数越高，对应状态合金的电导率越高。. 工作之三对回归再时效过程中析出相几何特征进行了原位追踪。研究发现：1）回归初期，析出相体积分数和数量密度迅速降低，而平均尺寸基本不变，导致合金硬度降低，电导率略微增大；2）回归中期，析出相平均尺寸和体积分数不断增大，而数量密度不断降低，导致合金硬度和电导率都迅速升高；3）回归末期，析出相平均尺寸仍不断增大，数量密度仍不断降低，但体积分数趋于稳定，导致合金硬度降低，电导率升高。再时效过程中，析出相体积分数和数量密度均升高，而平均尺寸变化很小，导致合金硬度重新升高。. 工作之四对不同时效制度下，合金中析出相的Cu/Zn元素含量进行了统计性定量研究。在对析出相中Mg/Al成分进行一定假设下，结果表明随着过时效程度加深，7B85合金析出相中Cu元素含量由~4%慢慢升高至~9%，相应的Zn元素含量则由~47%慢慢降低至~43%。通过与对应状态合金抗应力腐蚀性能对比可见：一般地，析出相中Cu含量越高，对应状态合金的抗应力腐蚀性能也较高。