高强高导电7000系铝合金棒材制备工艺与组织性能研究

摘要

本文针对大功率器件用高强高导电铝合金螺杆材料的国产化需求，在分析俄罗斯进口集流拉杆原品材料（简称原品材料）成分、组织和性能的基础上，结合实验室研究及工业化生产试制，确定了高强高导电Al-Zn-Mg-Cu铝合金棒材的成分控制范围，开展了合金圆锭熔铸、均匀化热处理、挤压变形、固溶淬火、低残余应力控制及时效热处理等制备工艺的系统研究，并利用OM、SEM、TEM、XRD、DSC等分析手段与各种性能评价测试手段，探讨了高强高导铝合金棒材制备工艺－组织－性能之间的相互关系。
　　研究结果表明：合金的主成分控制范围为：Zn:6.0~6.4wt％，Mg:2.0~2.3wt%，Cu:1.6~1.9wt%，Cr:0.1~0.2wt%，Mn:0.2~0.4wt%。合金的铸态组织呈枝晶结构，在枝晶之间为层片状的非平衡共晶组织：α(Al)+AlZnMgCu四元相，并存在少量的富Fe相；半连续铸造得到的圆锭外形规则、内部组织均匀、析出相数量少且尺寸细小；经过460~470℃/24h均匀化热处理后，合金中AlZnMgCu四元相回溶于基体，残留有一定数量的富Fe相；在锭坯完成均匀化热处理进行冷却的过程中，合金中脱溶析出了大量的小尺寸的MgZn2相。
　　通过热模拟试验研究，并结合实际生产经验，确定了合金棒材适宜的挤压温度为380~430℃、挤压筒温度为400~450℃，挤压速度为0.1~0.3mm/s、挤压比为17.8，获得了外观良好、内部组织均匀的高品质挤压棒材；采用单级固溶处理即可使合金获得良好的固溶效果，固溶处理工艺为：470~475℃，75min。固溶淬火后，通过采用拉矫和辊矫相结合、辊矫换向矫直的矫直方式，实现了合金棒材低残余应力的控制，并保证了材料的平直度。
　　通过开展多种时效工艺研究，确定采用三级时效工艺（120℃/22h+170℃/90min，水冷+120℃/20h）处理，时效处理后，合金晶界析出相发生部分断开、呈链状分布，晶内析出相以GPII区和η'相为主、呈细小弥散分布，合金获得了比较理想的晶界和晶内组织匹配，可实现合金高强度-高电导率-耐蚀性等的有效调控，能够完全满足材料高强高导的性能匹配要求。
　　经与原品材料进行对比，研制材料的成分与微观组织与其基本一致，研制材料的极限抗拉强度、屈服强度、伸长率、电导率、热导率分别达到658~665MPa、620~628MPa、11.1~12.2%、19.2~19.7MS/m、146~150W/(m.K)以上，耐蚀性能与原品材料相当，研制材料的强度-电导率性能匹配明显略优于原品材料，表现出了优越性，用其加工的螺杆材料与原品材料相比，综合性能相当、部分性能更佳，实现了对原品材料的替代。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的发展概况

1.3 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备工艺

1.4 本文的主要研究内容及预期目标

第2章 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验方案

2.3 试验方法

第3章 合金圆锭熔铸及其均匀化热处理工艺研究

3.1 引言

3.2 合金成分优化设计

3.3 合金圆锭铸造及铸锭质量控制研究

3.4 合金均匀化热处理工艺研究

3.5 本章小结

第4章 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金热挤压变形行为研究

4.1 引言

4.2 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金加工图

4.3 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu铝合金热塑性分析

4.4 挤压态Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu铝合金组织分析

4.5 本章小结

第5章 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金固溶时效工艺及矫直控制技术研究

5.1 引言

5.2 固溶淬火工艺研究

5.3 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金挤压棒材矫直技术研究

5.4 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金时效工艺及性能调配技术研究

5.5 本章小结

第6章 工业化试制样品合金性能评价

6.1 引言

6.2 Al-6.2Zn-2.2Mg-1.8Cu合金棒材材工业化生产试制

6.3 样品棒材全面性能评价及其与原品材料的对比分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢

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