双辊铸轧超高强铝合金应力诱发裂纹演变机制及溶质偏析行为研究

This project uses a twin-roll casting technology to prepare ultra-high strength 7000 series aluminum alloy sheet, to complete quality forming of the multiple high-alloyed twin-roll casting 7000 series aluminum alloy sheet, to solve uneven microstructure, solute segregation and crack propagation problem of the sheet. The high-speed roll casting, rapid solidification, holding temperature, warm rolling and heat treatment technology, combined with the finite element simulation, microstructure observation and mechanical properties testing will be applied to the 7000 series aluminum alloy roll casting sheet, to study the solidification crystalline regularity and rheological properties, stress induced crack forming mechanism, evolution of the microstructure, and solute segregation behavior of the twin-roll casting sheet. After that, microstructure and crack growth and property of the warm rolling and heat treatment process will be researched. Finally, the relation of the stress withstood by roll casting solidified shell and high temperature strength of the alloy, effect of the solute phase segregation on the breeding and growth of cracks, crack formation mechanism and growth control will be clear. And eventually, the high strength and high toughness 7000 aluminum alloy plate produced by the use of twin roll casting technology will be successfully developed to meet industrial production and civil plate needs. The twin-roll casting technology is applied to 7000 series aluminum alloy sheet, not only shorten the process, but also of great significance to the energy saving, environment-friendly and lightweight. At present, the twin-roll casting 7000 aluminum alloy sheet is not found in reports.

本项目以双辊铸轧技术制备超高强度7000系铝合金板材，解决铸轧板组织不均、溶质偏析及裂纹扩展等难题，实现多元高合金成分7000系铝合金铸轧板材的优质成形。利用高速铸轧、快速凝固、保温、温轧和热处理等技术，结合有限元模拟、微观组织检验及力学性能测试等手段研究7000系铝合金铸轧凝固结晶规律及流变特性、铸轧应力诱发裂纹演变机制、铸轧板坯的组织结构变化规律及溶质偏析行为、温轧和热处理工艺对铸轧板材组织结构、裂纹生长以及性能变化的影响，明确铸轧凝固坯壳承受的应力与合金高温强度的协调关系、溶质相偏析对裂纹滋生与生长的作用、铸轧裂纹形成机理及生长控制，最终研制开发出具有高强韧性的7000系铝合金铸轧板材，满足工业化生产和民用板材的需要。 利用铸轧技术制备7000系铝合金板材，不仅缩短了工艺流程，而且对节能减排、环境友好和轻量化等方面具有重要的意义。目前，未发现有关于铸轧7000系铝合金板材的研究报道。

超高强度（7000系）铝合金是以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类铝合金结构材料。铸轧技术能够一次完成板材成形过程，缩短了工艺流程，但在制备7000系铝合金板材时，往往出现组织不均、偏析及表面裂纹等缺陷，限制了合金板材的研发与应用。为改善铸轧7000系铝合金板材缺陷，本项目开展了组织结构、溶质析出控制及裂纹控制研究。.主要研究内容包括利用有限元法对双辊铸轧7000系铝合金温度场和应力行为进行模拟研究；基于密度泛函理论，运用第一性原理对铝合金中团簇及相的结构、稳定性、生长机制、热力学性质、电学性质及力学性质进行了理论研究；开展了铸轧工艺参数（温度、速度、冷却方式等）对7000系铝合金显微组织和性能影响研究；对铸轧区的结构变化规律进行了研究；研究了铸轧-余热轧制工艺对合金板材组织与性能的影响；研究了合金成分Zr、板厚、二次轧制温度及压下率对板材裂纹演变规律的影响；对裂纹产生的原因进行了理论计算，利用浇注、高温拉伸及结合理论计算分析了裂纹产生的原因。.结果表明，较合理的铸轧7000系铝合金浇注温度680-700℃，铸轧速度为8-14m/min。铸轧板材显微组织不均匀，沿板厚方向从表面到中心组织依次为表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区，存在明显的由蔷薇状枝晶和等轴晶组成的的混合过渡区。铸轧板材表面经冷却出现大量宏观裂纹，发现表面裂纹沿等轴晶晶界方向扩展，非穿晶扩展。表面裂纹处发现有Zn富集现象。增加Zn含量表面裂纹更加明显。添加Zr含量能显著减少铸轧裂纹的产生，在0.33%-0.53%Zr含量铸轧板材表面质量与组织性能最优。铸轧余热轧制板材在冷却后表面裂纹减少，组织致密，晶粒细小均匀。铸轧板经350℃温轧，压下率80%时，裂纹愈合程度和力学性能达到峰值。经风冷处理的铸轧板组织和性能均最优。.本项目从多角度对多元高合金含量7000系铸轧铝合金裂纹形成机制进行系统研究，找出了相关规律，对该项目深入研究及实践具有重要的理论指导意义。