航空高性能铝合金材料的基础研究

项目名称：航空高性能铝合金材料的基础研究首席科学家：张新明中南大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：湖南省科技厅教育部一、关键科学问题及研究内容3.2主要研究内容3.2.1三类高性能铝合金的成分与组织模式设计本项目以调整铝合金主成分设计方向为突破口，增加高固溶度元素含量，降低低固溶度元素含量，消除恶化综合性能的残余结晶相，并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，创新设计新一代高性能铝合金成分，确立高强高韧高淬透、超强高韧耐蚀、中强高耐损伤的多相适配微结构模式，形成三类铝合金原型，为此需要开展下列研究工作，重点研究解决科学问题1（新型高淬透性过饱和固溶体与第二相的形成、演变及其强韧化作用）和科学问题2（复杂环境下铝合金耐损伤、抗腐蚀多相微结构的适配模式设计与调控机理）。（1）高强高韧高淬透性铝合金成分与组织模式设计研究Al-Zn-Mg-Cu系高Zn、低Cu、低Mg富铝区的相平衡与温度和成分的关系。研究Al-Zn-Mg-Cu系合金析出转变动力学—成分关系，确立淬火温区稳定、时效温区析出成分区域。研究高强铝合金淬透性和析出强韧化与成分的关系，设计高淬透高强高韧的新型铝合金成分。研究过渡族和稀土元素影响共格相界向非共格相界转变的规律及机理、新型弥散相影响再结晶的规律及机理。研究淬火界面形核析出规律、多相界面协同调控淬透性与强韧性的作用，确立高淬透高强高韧的多相适配微结构模式。（2）超强高韧耐蚀铝合金成分与组织模式设计研究Al-Zn-Mg-Cu合金高Zn、低Cu、低Mg富铝区主成分对析出第二相及其与基体电位差、极化行为的影响规律，设计新型超强铝合金主成分。研究过渡族与稀土元素复合添加对Al3Zr晶体结构及热稳定性的作用规律，确立新型多元弥散相，设计超强铝合金的微合金化成分。研究新型多元铝化物共格弥散相抑制铝基体再结晶作用规律，揭示共格弥散相对强韧性和耐蚀性的影响规律及机理。研究基体晶界和第二相对耐蚀性和强韧性的协同作用及机理，确立超强高韧耐蚀的多相适配微结构模式。（3）中强高耐损伤铝合金成分与组织模式设计研究合金主元素（Cu、Mg、Li）与微量元素（Er、Zr）对耐损伤性能的影响规律与机理，设计新型耐损伤铝合金的成分。研究诱导裂纹偏转的耐损伤组织与织构组态及其形成机理，探明提高耐损伤性能的基体组织模式。研究第二相种类（初生相、弥散相、沉淀相）、状态（共格、半共格、非共格）、形貌（球状、条状等）与分布对耐损伤性能的影响规律与模型，揭示多类第二相提高疲劳裂纹扩展阻力的协同机制。研究耐损伤特征第二相及界面结构的适配模式，发展耐损伤组织模式设计理论。3.2.2三类高性能铝合金材料的均匀制备为了突破大飞机急需的大规格高性能铝合金材料均匀制备技术瓶颈，本项目从成分和制备过程多种物理场两个方面协同调控宏/细观组织性能均匀性，形成高性能铝合金材料的成分与多场协同调控制备理论。发展三类高综合性能铝合金材料制备原理与方法。为此需要开展下列研究工作，重点解决科学问题3（材料组织与性能宏/细观均匀性的制备多场调控规律及机理）。（1）高性能铝合金铸锭及均匀化热处理组织与成分的宏/细观不均匀性及其调控研究高性能铝合金在半连续大规格铸锭组织、成分的宏观不均匀性及其形成规律，揭示冶金过程的传输（传热、传质、动量传递）非均匀性形成机理。利用超声铸锭的前期研究基础和工程化研究平台，研究高性能铝合金在超声外场下温度过冷和成分过冷特性，揭示合金成分－凝固过冷－超声外场的关系及机理，寻求成分与超声外场协同调控铸锭组织与成分宏/细观均匀性的方法。研究高性能铝合金大规格铸锭组织、成分的宏/细观不均匀性对淬透性、强韧性、耐蚀性、耐损伤性能的影响规律，揭示大规格铸锭组织、成分遗传影响规律。研究均匀化热处理对共格弥散相晶内/晶界细观均匀分布的调控作用规律与机理，建立调控方法。（2）高性能铝合金形变组织的宏/细观不均匀性及其调控研究非对称内剪切轧制（龙形轧制）应力－应变分布规律，建立龙形轧制稳态剪切变形调控方法。研究龙形轧制剧烈内剪切变形条件下的晶粒分裂和第二相破碎机制、晶界特性、{111}织构形成机理，形成龙形轧制组织、织构调控原理与方法。研究龙形轧制对韧性、耐蚀性、抗疲劳、耐损伤性的影响规律，探明龙形轧制应力场、温度场对形变组织与性能宏/细观均匀性的调控作用。研究大压下量控温轧制形变对基体晶粒形状、织构不均匀性的影响规律和机理，确立超厚截面材料强变形组织均匀性的多场调控方法。（3）高性能铝合金热处理组织的宏/细观不均匀性及其调控研究多级固溶对厚截面材料回复/再结晶组织细观不均匀性的调控作用规律与机理，确立调控晶界角度分布的固溶热处理方法，研究厚截面材料淬火非均匀换热的时间与空间分布对组织和性能宏/细观不均匀性的影响规律与机理，确立淬火过程中快速均匀冷却调控原理与方法。研究厚截面材料淬火非均匀温度场与第二相析出动力学效应对多相组织宏/细观不均匀性的耦合影响规律与机理，研究界面传热对淬火残余应力的影响规律，建立保证不同厚度材料淬透与残余应力最小的调控方法；预变形（拉伸、压缩）对消减残余应力的影响规律，建立调控方法。研究厚截面材料多级积分时效非均匀温度场与高温回归动力学效应对多相组织宏/细观不均匀性的耦合影响规律与机理，确立多相适配微结构宏/细观均匀性的调控原理与方法。二、预期目标4.1总体目标调整铝合金体系主合金元素总含量不断提高的原有设计方向，设计新的主合金成分，引入微量元素，发展高性能铝合金成分与多相适配微结构的设计理论，形成三类铝合金材料原型；发展高性能铝合金大规格材料宏/细观均匀性调控方法，突破制备技术瓶颈，为制备出大飞机工程急需的高性能铝合金材料提供指导。形成高性能铝合金的研究队伍与基地；支撑我国航空工业的持续发展，并可应用于其他战略性新兴产业。4.2五年预期目标创新发展宏/细观组织性能均匀的优异特征性能铝合金成分设计与制备理论，发展高强高韧高淬透性、超强高韧耐蚀、中强高耐损伤三类新型铝合金；发展高性能铝合金组织与性能宏/细观均匀性的调控方法，制备航空重大工程急需的高性能铝合金材料；满足国家航空制造产业对高性能铝合金的重大需求。1）理论目标（1）发展以合金元素固溶度为准则，基于原子交互作用、相平衡和析出转变的高性能铝合金成分设计理论。（2）发展基于基体、第二相及晶界结构差与电位差的耐蚀多相适配微结构模式设计理论和方法。（3）发展基于多尺度第二相、相界与位错交互作用的耐损伤多相适配微结构模式设计理论和方法。（4）发展高性能铝合金材料组织与性能宏/细观均匀性的成分与多场协同调控理论和方法。2）技术目标（1）形成高强高韧高淬透性新型铝合金原型，韧性比现有材料水平提高20%以上（2）形成超强高韧耐蚀新型铝合金原型，耐应力腐蚀性能关键指标比现有材料水平提高30%以上。（3）形成中强耐损伤新型铝合金原型，耐损伤性关键指标比现有材料水平提高25%以上。（4）研制大飞机急需的三类典型高性能铝合金材料。性能达到国外同类材料的水平，三维方向上性能差异≤10%；可广泛用于航空航天、交通运输、武器装备等领域。3）论文专著、专利与获奖发表论文200篇，其中SCI、EI源刊物150篇，专著2～3本，申报专利20～30项，获省部级以上奖励2～3项。4）人才与基地培养出一批中青年学术带头人，造就一支队伍，建设高性能铝合金材料创新研发基地，提升我国高性能铝材研发的创新能力。三、研究方案5.1学术思路我国大飞机所需的高性能铝合金材料目前存在的主要问题是综合性能和均匀性不能满足设计要求。原有铝合金体系主合金元素含量不断提高，低固溶度元素含量过高，难以彻底溶于铝基体，残余结晶相多，过饱和固溶体淬火过程中易分解，降低时效强化效应，导致强度与淬透性、韧性、耐蚀性、耐损伤性之间的矛盾突出，并且随着材料规格的增大，组织与性能宏/细观不均匀性愈益显著。本项目解决这些问题的总体思路是：在我们前期对铝合金体系主合金成分调控与微量元素作用研究的基础上，以合金元素固溶度为准则，调整主合金元素含量不断提高的原有设计方向（如降低铜含量），并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，寻求并确立新的多元过饱和固溶体与第二相，设计新型高性能铝合金的主合金成分和微合金成分；并在新的固溶体（基体）和第二相的基础上，研究高淬透性、高韧耐蚀、高耐损伤的多相微结构形成与演变规律和调控方法，确立高性能铝合金的多相适配微结构的最佳模式，形成新型高性能铝合金的原型。在创新设计与优化合金成分的基础上，揭示合金成分和多种物理场对凝固、塑性加工、热处理多相组织宏/细观均匀性的交互作用规律和机理，发展高性能铝合金材料组织与性能宏/细观均匀性的调控方法，突破大规格高性能新型铝合金材料的制备瓶颈。5.2技术途径针对三类不同强度级别合金的成分与多相微结构设计和三类材料组织与性能的宏/细观均匀性调控，本项目的技术途径是：新型合金成分设计（包括大飞机急需材料的成分优化设计）→实验室小试→工程化平台中试→产业转化。基本出发点是设计新的主合金成分，并引入可形成共格多元弥散相的过渡族和稀土特定微量元素，形成析出可控的新型过饱和固溶体和第二相，确立发展高性能铝合金的新途径。1）发展高强高韧高淬透性铝合金的技术途径我们前期研究发现，在Al-Zn-Mg-Cu系合金元素总量不变的情况下，采用高Zn或低Mg或低Cu的主合金成分调控方法，调控固溶过程的再结晶宏/微织构组态，能使该类合金在具备超高强度的同时，获得较高韧性和淬透性指标，获得了发明专利，这为本项目开展新型高强高韧高淬透性铝合金的研究打下了重要的基础。本项目的技术途径：改变Al-Zn-Mg-Cu合金体系提高主合金元素总量增加第二相强化效应的设计方向，采用降低Cu/Mg、提高Zn/Mg的合金化方向设计新型合金的主成分，改变合金体系的多相平衡与相变特征；引入特定微量元素，形成新型多元铝化物共格弥散相，影响时效析出早期溶质原子团聚行为；基于新的主合金成分与微合金化成分设计高强高韧高淬透性铝合金体系。通过研究，探明该合金系中Zn、Mg、Cu主合金元素总量及Cu/Mg、Zn/Mg对凝固相平衡、铸态和固溶态导热性的影响规律，为外场熔铸调控铸锭成分与组织均匀性、淬火调控厚截面材料淬透深度提供基础数据；揭示新型多元铝化物共格弥散相调控过饱和固溶体小角度晶界分布特性、进而影响析出行为的规律与机理，探明特定微量元素的固溶原子对时效析出早期溶质原子团聚及析出序列的影响规律与机理，探索微量元素调控析出行为的新途径；揭示新型过饱和固溶体的析出强化相、新型多元铝化物共格弥散相和晶界/亚晶界组态对强韧性能的影响规律；综合上述基于新型过饱和固溶体和析出相形成及其强韧化作用机理的研究结论，设计新型高强高韧高淬透性铝合金的成分和组织模式，突破Al-Zn-Mg-Cu系合金的强韧性和淬透性指标，形成具有自主知识产权的高强高韧高淬透性铝合金原型。同时为研制成功大飞机急需的厚截面大规格铝合金材料所需解决的成分优化方向、组织与综合性能调控方法提供指导。2）发展超强高韧耐蚀铝合金的技术途径前期对Al-Zn-Cu-Mg超强铝合金的研究发现，降低铜含量可以减少残余凝固共晶相（Al2CuMg相），提高铸造性能和材料韧性，为发展具有良好铸造性能的超强高韧耐蚀铝合金找到了突破口。此外，探索了微合金化元素对超强铝合金的作用，发现了可有效抑制基体再结晶的新型多元共格弥散强化相，可同时提高强韧性、耐蚀性；发现热处理调控晶界析出相Cu含量可提高耐蚀性，并获得发明专利。这些发现为本项目开展新型超强高韧耐蚀铝合金研究提供了基础。本项目的技术途径：调整主合金成分设计，降低铜含量，基于高Zn、低Cu合金化方向设计合金的主成分；基于新型多元铝化物共格弥散相，设计多元微合金化超强铝合金。通过研究，揭示降低Cu含量改善超强铝合金铸锭－塑性加工－固溶处理工艺性能的作用及机理；探求Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金的Zn、Mg、Cu主合金成分对强韧性和耐蚀性的影响规律；研究高Zn、低Cu超强铝合金晶内晶界时效析出相的