基于均匀/非均匀形核协同促进汽车用新型铝合金板材时效硬化速率的基础研究

In view of the age-hardening response of traditional Al-Mg-Si-Cu alloys cannot meet the requirements of automotive applications, an advanced Al-Mg-Si-Cu-Zn alloy with a certain amount of dispersed particles was developed by the in-situ synthesis method. After controlling and optimizing the composition, thermomechanical processing and pre-treatments, the prepared alloy can display an excellent age-hardening response by the cooperative action of homogeneous and heterogeneous nucleations of Mg-Si and Mg-Zn precipitates. The following topics, age-hardening response, precipitation behaviors, microstructure and phase structure, will be characterized by DSC, HRTEM, three-dimensional atom probe and mechanical property measurements. Accordingly, the quantitative relationship between composition, processing, microstructure and properties can be established, and then, both the fast age-hardening response mechanism and multi-phase strengthening model of the alloy can be put forward from it, and finally establishing the fast age-hardening response theory of wrought Al alloys and forming the technique of process controlling. Hopefully, the systematical researches in this proposal can give a good instruction on the further development, processing, characterization and application of the wrought Al alloys with a characteristic of fast age-hardening response, and also provide a theoretical support for studying on the controlling method of age-hardening response and related key scientific issues in other age-hardening Al alloys.

针对传统Al-Mg-Si-Cu系合金时效硬化速率仍不能很好满足汽车轻量化的应用要求，本项目创新性地利用熔体原位复合法制备了含有一定量弥散粒子的新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金。通过成分设计、热加工和预处理过程调控等，该系合金可充分利用Mg-Si和Mg-Zn等相的均匀/非均匀形核协同作用而表现出优异的快速时效硬化特性。本项目拟采用DSC、HRTEM、三维原子探针以及力学性能测量等手段，对该系合金时效硬化速率、沉淀析出行为和组织结构等进行精细表征。据此建立成分-工艺-组织-性能间的定量关系，进而掌握并提出该系合金的快速时效硬化机制和多相协同强化理论模型，最终建立变形铝合金快速时效硬化理论和过程调控技术。本研究不仅为快速时效硬化型铝合金的进一步开发、加工、表征和应用提供重要指导，而且也为更好地研究其它时效强化型铝合金时效硬化速率的过程调控及其相关机制等共性关键科学问题提供重要理论支撑。

针对传统Al-Mg-Si系合金时效硬化速率仍不能很好满足汽车轻量化的应用要求，本项目打破传统铝合金成分设计范围，创新性地设计并开发了含有一定量多尺度弥散粒子的新型快速时效响应型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金。由于成分、多尺度粒子分布、预时效以及预变形等对合金时效硬化速率影响显著，本项目在成分设计和过程调控的基础上系统深入研究了该新型铝合金的时效析出行为及其快速时效响应机制，具体包括：（a）新型铝合金成分设计和优化研究；（b）新型铝合金内不同尺寸粒子分布状态的过程调控研究；（c）新型铝合金均匀/非均匀形核的预处理调控研究；（d）新型铝合金多种沉淀相析出行为表征；（e）新型铝合金快速时效硬化机制及多相协同强化模型研究；（f）初步建立变形铝合金快速时效硬化理论及过程调控技术，并对其进行推广应用。研究表明，成分设计辅以合适的熔铸和热加工过程调控，可形成微米至纳米级均匀弥散分布的多尺度粒子；这些粒子可增加预变形后位错分布均匀性，辅以合适预处理调控可诱发沉淀相的均匀和非均匀协同形核，进而大幅增加了该合金时效硬化速率和能力，烤漆硬化增量可达160MPa以上，远高于国际普遍水平80~100MPa；建立的该系合金沉淀析出动力学模型预测效果较好；虽然该系合金时效析出序列基本不变，GP区和βʺ相仍是主要强化相，但3DAP显示团簇和βʺ等相均含有Zn元素，Zn浓度随相尺寸增加而降低；基于成分-工艺参数-组织-性能间定量关系创建了快速时效硬化机制以及多相协同强化理论模型，利用其指导并在工业化条件下制备了兼具高成形性和高烤漆硬化新型铝合金宽幅板材，其可冲压多种典型汽车零部件，如B柱、后防撞梁、车门防撞梁以及顶盖加强梁等。本研究对于下一步开展新型高强高成形性铝合金内多尺度粒子设计、熔铸与热加工一体化过程调控及其作用机制，以及其它铝合金特殊组织和性能调控等均能提供重要指导和理论支撑。