基于机器学习的Al-Zn-Mg-Cu合金快速设计

提出一种基于机器学习的合金快速设计系统(ARDS),以定制所需性能的合金制备策略或预测制备策略所对应的合金性能。为此,分别对3种回归算法:线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(BPNN)进行建模和比较以训练多性能预测模型。其中,应用SVR构建的机器学习模型被证明是最佳的。然后,基于生成对抗网络(GAN)模型原理,构建Al-Zn-Mg-Cu系铝合金快速设计系统(ARDS)。对ARDS的预测可靠性进行验证。结果表明,为了能够获得准确的制备策略,系统中极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(EL)的输入上限分别约为790 MPa、730 MPa和28%。此外,基于ARDS预测结果,制备了一种性能优异的新型铝合金材料,其UTS为764 MPa、YS为732 MPa、EL为10.1%,进一步验证了ARDS的可靠性。

淬火冷却方式及宏观取向对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质不仅会以半共格的Al3Zr为核心形成粗大析出相,还会沿位错大量析出。此外,与水冷时效态相比,空冷时效态晶界相尺寸大幅增加,晶界无析出带显著宽化,不同宏观取向样品的强度和伸长率都明显下降。宏观取向对两种状态样品强度的差值影响较小,但对伸长率的差值影响较大。当拉伸方向与轧制方向成45°方向时,空冷诱导的伸长率下降幅度最小;当拉伸方向与轧制方向成90°时,下降幅度最大。

均匀化对Al-Zn-Mg-Cu合金第二相与晶粒尺寸的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)表征,研究了均匀化过程中Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织演变。结果表明,铸态合金晶界中存在大量难溶相Al7Cu2Fe及非平衡共晶相Mg(Zn,Cu,Al)2、Al2CuMg相,在经过420℃/8 h的单级均匀化处理后,部分难溶相和非平衡共晶相回溶到基体中,但还存在大量枝晶偏析,继续进行470℃/36 h第二级均匀化后,非平衡共晶组织和枝晶偏析完全消除。合金的平均晶粒尺寸在两个阶段的均匀化中呈现随时间延长而增加的趋势,基体中残留相及共晶组织的面积分数随保温时长增加而减小,第二级均匀化达到36 h时,相面积分数仅为0.34%,表明均匀化已经非常充分。经过均匀化动力学分析,得出在第二级均匀化温度为470℃时,第二相充分回溶所需保温时间约为37 h,与均匀化的实验结果吻合。

高强Al-Zn-Mg-Cu合金静态再结晶模型及组织演变

采用Gleeble 3800热模拟试验机对航空用Al-Zn-Mg-Cu合金的热变形行为进行了测试,对变形后的微观组织进行了表征,系统分析了静态软化行为,建立了静态再结晶动力学模型。结果表明:实验用航空Al-Zn-Mg-Cu合金的静态再结晶激活能为129162 J·mol^(-1),静态再结晶体积分数受变形温度、变形程度、变形速率的影响,且变形温度对静态再结晶影响最明显;变形速率一定时,变形温度越高,道次停留时间的影响越不明显;350℃低温变形后,α-Al基体晶粒内部仍存在大量的位错缠结;400℃中温变形后,位错运动能够充分进行,部分晶粒发生了再结晶;450℃高温变形后,基体晶粒基本全部完成了再结晶,基体晶粒内部发现5~25 nm尺寸范围的Al-Zn-Mg-Cu四元相粒子;对于不同热变形条件,模型预测值的误差在0.008~0.0625范围内,动力学模型的计算结果精确度较高。

HPT工艺参数对Al-Zn-Mg-Cu合金强韧化机理研究

针对A1-Zn-Mg-Cu合金进行了HPT变参数正交实验,以探讨HPT工艺参数对合金力学性能的影响。通过多角度力学性能测试,包括抗拉强度和延伸率等,与常温试件的力学性能进行了比对,分析了变化规律;利用SEM对A1-Zn-Mg-Cu合金在高温下的断口形态进行观察,以揭示高温高压下A1-Zn-Mg-Cu合金的破坏机制。研究内容将为该技术在工业上的推广与应用奠定一定的理论与技术基础。

熔体冲击法增材制造技术对高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金组织的影响

利用直读光谱分析仪、金相显微镜、扫描电镜、能谱仪等检测设备,探究熔体冲击法增材制造高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭的组织特性。研究结果表明:相比于浇铸铸锭,熔体冲击法获得的打印铸锭在高度方向上具有更均匀的成分;晶粒尺寸细小,晶粒形貌由树枝晶转变为等轴晶或等轴枝晶;主合金元素Zn、Mg、Cu的晶内固溶量明显提高,晶界上的第二相明显减少;在同样的均匀化退火温度下,打印铸锭可以在更短的时间达到理想的效果,从而可降低成本,提高生产效率。

超声振动对Al-Zn-Mg-Cu合金时效组织和性能的影响

基于自制的超声振动装置对Al-Zn-Mg-Cu合金进行超声振动时效,采用室温拉伸试验、显微硬度测试、电导率测试、金相显微镜和扫描电子显微分析(SEM)等手段,采用单因素实验设计研究超声振动时效时间和时效制度对Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响。结果表明:施加超声振动促进析出相的生长,随着超声振动时效时间的延长,合金电导率逐渐升高,硬度和抗拉强度逐渐降低,伸长率略微增加。金相分析表明超声振动的激振应力切割粗大的第二相粒子,使得黑色颗粒变小,最后溶解或消失。施加超声振动对晶粒大小、形状和数量无明显影响。同时激振应力使得位错塞积开通,降低位错密度,降低残余应力。通过SEM显微镜对拉伸断口观察发现随着施加超声振动时间的延长,韧性断裂的特征更明显,韧窝数量显著增多,韧窝尺寸变大,深度变深。

纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金电弧熔丝增材成形工艺及组织和性能

采用电弧熔丝增材制造技术(WAAM)对纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金进行成形试验,分析了焊接电流、焊接速度、沉积路径、层间等待时间对成形性能的影响.结果表明,在焊接电流190 A、焊接速度350 mm/min、往复沉积、层间等待时间为90 s时合金具有良好的成形性能.对制备的直壁墙体进行了沉积后热处理,对不同状态合金的组织和性能进行了研究.沉积态及热处理态合金显微组织均具有优异的各向同性,由细小的、无明显取向的等轴晶组成.T6处理显著提高了沉积态合金的硬度及力学性能,T6处理后平均硬度为178.3 HV,较沉积态提升61%,沿横向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为469.7(±5.1)MPa,366.3(±1.4)MPa与6.4(±0.4)%,沿纵向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为454.3(±18.8)MPa,364.7(±16.7)MPa与5.9(±0.5)%,具有良好的力学性能各向同性.

基于短流程热处理的电磁铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能研究

利用金相显微镜、扫描电镜和拉伸试验研究了适用于电磁铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金的短流程轧制-热处理工艺路线。首先,通过电磁复合场、Al-5Ti-B晶粒细化剂和Ti微合金化,获得了组织均匀、无中心偏析以及带状晶间偏析细小的电磁铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金。其次,基于轧制破碎粗大结晶相和第二相粒子诱发形核(particle stimulated nucleation, PSN)再结晶效应,设计了电磁铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金的短流程工艺路线。该短流程工艺路线实现了结晶相的细化和短时间快速溶解,可充分利用PSN效应,T6样品获得了细小、均匀的再结晶组织以及较弱的Cube-ND织构。最后,短流程工艺路线不仅省略了长时间均匀化工艺,其T6样品还获得了良好的强塑性,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为460 MPa、521 MPa和12.3%。

超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响

提出了一种制备梯度Al-Zn-Mg-Cu合金的新方法,通过优化实验的工艺参数,在超重力降温离心的条件下结合定向凝固工艺获得具有梯度的成分含量、显微组织及力学性能。基于合金的析出特性,利用超重力技术和温度梯度区间实现冷却凝固过程中α-Al析出相和共晶T相的高效分离,大部分的α-Al析出相集中在试样顶部,而共晶组织主要分布在试样底部。不同密度的析出相在超重力的作用下分布于样品的不同位置,使得增大重力系数和扩大温度梯度有利于获得梯度范围更大的材料。结果表明,在超重力的条件下,降温离心可以在短时间内获得梯度铝合金,从而为梯度铝合金材料的制备提供了新的工艺手段和思路。

Al-Zn-Mg-Cu合金加工过程组织演变研究

通过Jmatpro热力学计算、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)研究了7175合金在加工过程中的组织演变。结果表明:7175铝合金热力学平衡相由Al Cr Mg Mn相、Mg2Si相、Al6Mn相、Al2Cu Mg相、Mg Zn2相和Al Cu Mg Zn相组成,实际状态下还含有少量的杂质相Al7Cu2Fe相。7175铝合金型材在挤压、固溶后组织主要为纤维状晶粒组织,没有明显的再结晶,在475℃下保温2.5 h后小尺寸的第二相基本回溶,大尺寸的未溶相为Al7Cu2Fe相和Mg2Si相,沿晶界呈链状破碎分布。弥散相Al Cr Mg Mn相在固溶和时效过程中一直存在,时效态晶内沉淀相为弥散分布的圆球状η′相和少量板状η相。晶界析出相MgZn2相断续分布,晶界无沉淀析出带(PFZ)宽度为35~45 nm。

双阶段均匀化对铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金Al_(3)Zr析出的影响

研究了均匀化制度对双辊铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金Al_(3)Zr相析出行为及再结晶的影响,以及Al_(3)Zr析出和再结晶程度对合金力学性能和耐晶间腐蚀性能的影响.结果表明,相比于传统的单阶段均匀化,双阶段均匀化的第一阶段为Al_(3)Zr的析出提供了更大的形核驱动力和更多的非均匀形核质点,促进了Al_(3)Zr的析出.此外,不同的升温速率对Al_(3)Zr的析出也有影响,缓慢的升温速率有利于细化Al_(3)Zr尺寸,增加Al_(3)Zr的数量密度和体积分数.固溶处理时,Al_(3)Zr相f/r值的变化导致了不同的再结晶抗力,因此在T6处理后双阶段均匀化的试样再结晶组织比例降低,大角度晶界数量减少.Al_(3)Zr相f/r值以及显微组织的变化对合金力学性能的影响较小,显著提高了合金的抗晶间腐蚀性能.

微量Sc对高强铸造Al-Zn-Mg-Cu合金组织和力学性能的影响

为了开发铸造用高强铝合金,通过金相显微镜、扫描电镜的观察以及拉伸试验机、布氏硬度计的检测,研究了微量Sc对Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Sc的添加能够显著细化晶粒并提高合金力学性能,铸态合金的抗拉强度由179.3 MPa提高至203 MPa;经热处理后,硬度提升明显,非平衡共晶相消失,且有Al7Cu2Fe相残留;含Sc合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为591.7 MPa、516.7 MPa和4.2%,分别提高了22%、14.1%和320%。

固溶工艺对Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响

首先对Al-Zn-Mg-Cu合金分别进行了二级固溶处理(450℃×30 min+470℃×60 min)和三级固溶处理(450℃×30 min+470℃×60 min+485℃×30 min),随后对其进行了120℃时效24 h的处理。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜等研究了不同工艺固溶处理对Al-Zn-Mg-Cu合金微观组织和性能的影响,并对固溶时效态合金的拉伸性能和晶间腐蚀性能进行了测试。结果表明:与二级固溶工艺相比,经过三级固溶工艺处理后,Al-Zn-Mg-Cu合金中高温残留相Al_(2)CuMg得到有效消除,合金时效态样品晶间腐蚀24 h后最大侵蚀深度由250.78μm降至124.22μm,同时合金的拉伸性能得到提升,抗拉强度由601 MPa提升至653 MPa,屈服强度由546 MPa提升至596 MPa,断后伸长率由10.3%提升至14.5%。这主要是由于Al_(2)CuMg残留相在固溶过程中的消除提高了淬火态Cu、Mg溶质原子的过饱和度,增加了晶内析出相的体积分数,即晶内析出相与位错相互作用的剪切强化效果得以提升。同时拉伸过程中可能发生在Al_(2)CuMg粗大相附近的应力集中也被减弱,合金的塑性得到改善。此外,Al_(2)CuMg残留相的消除提高了合金在时效过程中晶界析出相中的Cu含量,提高了其晶间腐蚀性能。

同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金应力场数值模拟

采用Ansys软件建立了同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同激光功率和扫描速度单层单道成形过程中的温度场和应力场。结果表明,模拟得到的应力与试验结果误差约为5.2%,验证了模型的准确性。激光成形过程中,激光作用产生“端部效应”,熔池前端的温度梯度大,后端的温度梯度小。随着激光功率的增加和扫描速度减小,熔池温度增加,激光功率的影响更加显著。随着激光功率与扫描速度的增加,沉积层的三向应力也随之增大,最大Von mises等效应力与垂直于扫描方向的应力σ_(y)呈“W”形分布,沿扫描方向的应力σ_(x)先增大后减小,且σ_(x)>σ_(y)。当沉积层冷却至室温时,其表面残余应力主要为拉应力,且沉积层中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。

回归冷却速率对Al-Zn-Mg-Cu合金型材组织与性能的影响

通过硬度、电导率、室温拉伸、局部腐蚀和应力腐蚀等性能测试,结合金相显微镜和透射电镜等微观组织表征方法,研究了回归再时效工艺中不同回归冷却速率对Al-Zn-Mg-Cu合金型材组织与性能的影响。结果表明,回归冷却速率分别为660.0、12.7和0.5℃/min时,合金的抗拉强度分别为663.1、653.4和636.9 MPa,电导率分别为35.1%IACS、35.2%IACS和36.8%IACS,剥落腐蚀等级分别为EC、EB-和EB,应力腐蚀敏感性指数值分别为4.7%、4.0%和3.2%,晶界析出相沿长度方向的平均尺寸分别为48.7、54.7和68.7 nm,晶界析出相分布间距分别为28.9、33.6和40.3 nm。析出相尺寸与分布的变化是引起合金性能变化的主要原因;综合考虑合金力学性能与抗腐蚀性能,适宜的回归冷却速率范围为0.5~12.7℃/min。

固溶方式对Al-Zn-Mg-Cu合金组织及性能的影响

采用单级固溶、低温长时高温短时以及低温短时高温长时双级固溶淬火制度对热轧态Al-Zn-Mg-Cu系铝合金进行固溶处理,并通过OM,SEM,DSC,EBSD等技术手段以及电导率测试等检测方法,系统地对比分析不同固溶方式对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金组织及性能的影响。结果表明:所选用固溶淬火制度不会使组织发生过烧,且能够使组织中的低熔点共晶第二相充分回溶;当选用473℃/20 min+477℃/40 min双级固溶淬火制度时,板材固溶效果最佳,电导率最低,为27.60%IACS,且组织再结晶程度低于50%,组织中主要存在{112}〈111〉,{011}〈211〉,{123}〈634〉变形织构和{001}〈110〉剪切织构。

电弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的研究

使用CMT-PADV、CMT-ADV和CMT-P三种电弧模式电弧增材制造(WAAM)了Al-Zn-Mg-Cu合金直壁墙,探究了不同电弧模式对直壁墙显微组织和力学性能的影响。结果表明,三种电弧模式下的WAAM直壁墙均由粗大柱状晶构成,晶界上分布着连续的Mg(Al,Zn,Cu)_(2)共晶相,并且气孔率较高。粗大的柱状晶和晶界上连续的共晶相使直壁墙水平方向的拉伸性能,尤其是延伸率较差,并且其拉伸试样的断裂行为以沿晶断裂为主。CMT-PADV模式下直壁墙水平方向的拉伸性能最好,主要原因是该模式下直壁墙的气孔率最低,且柱状晶生长方向与拉应力方向的夹角最小。

Sc、Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响

制备了成分Al-5.8Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Cr和Al-5.8Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.2Cr-0.23Sc-0.12Zr的两种合金。通过金相显微镜及电镜观察、力学性能及腐蚀性能测试,分析了两种合金不同处理状态的显微组织及其不同状态下的力学性能和腐蚀性能。结果表明,添加Sc、Zr能显著细化合金的铸态组织,对合金的力学性能及腐蚀性能也起到极大的提高作用。添加Sc、Zr的2#合金与1#合金相比较,经T6处理后,前者的抗拉强度提高110 N/mm2,屈服强度提高91N/mm2,伸长率也略有提高。

多级梯度结构对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

为了进一步提升析出强化铝合金的强度,采用表面超声滚压和低温时效工艺制备一种多级梯度结构材料,并用SEM/TEM表征分析表层组织。研究结果表明:表层晶粒和析出相均呈现梯度分布。此外,对梯度层的析出相分析发现晶内析出相和晶界析出相种类存在区别,并且伴随着距表面深度的增加,晶界析出相和晶内析出相的数量密度都呈现降低趋势。与时效后粗晶试样相比,多级梯度结构试样的强度得到提升(屈服强度和抗拉强度分别从480 MPa和622 MPa提升到562 MPa和692 MPa)并保持良好的塑性。通过定量计算,发现多级梯度结构试样的强化增量主要源于晶界强化、沉淀强化、位错强化和协同强化的共同作用。