航空高性能鋁合金材料的基礎(chǔ)研究

1、項目名稱：航空高性能鋁合金材料的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：起止年限：2012.1-2016.8依托部門：湖南省科技廳 教育部一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容3.2 主要研究內(nèi)容3.2.1 三類高性能鋁合金的成分與組織模式設(shè)計本項目以調(diào)整鋁合金主成分設(shè)計方向為突破口，增加高固溶度元素含量，降低低固溶度元素含量，消除惡化綜合性能的殘余結(jié)晶相，并引入可形成共格多元彌散相的過渡族和稀土特定微量元素，創(chuàng)新設(shè)計新一代高性能鋁合金成分，確立高強高韌高淬透、超強高韌耐蝕、中強高耐損傷的多相適配微結(jié)構(gòu)模式，形成三類鋁合金原型，為此需要開展下列研究工作，重點研究解決科學(xué)問題1（新型高淬透性過飽和固溶體與第二相的形成、演變及其

2、強韌化作用）和科學(xué)問題2（復(fù)雜環(huán)境下鋁合金耐損傷、抗腐蝕多相微結(jié)構(gòu)的適配模式設(shè)計與調(diào)控機理）。（1） 高強高韌高淬透性鋁合金成分與組織模式設(shè)計l 研究al-zn-mg-cu系高zn、低cu、低mg富鋁區(qū)的相平衡與溫度和成分的關(guān)系。l 研究al-zn-mg-cu系合金析出轉(zhuǎn)變動力學(xué)成分關(guān)系，確立淬火溫區(qū)穩(wěn)定、時效溫區(qū)析出成分區(qū)域。l 研究高強鋁合金淬透性和析出強韌化與成分的關(guān)系，設(shè)計高淬透高強高韌的新型鋁合金成分。l 研究過渡族和稀土元素影響共格相界向非共格相界轉(zhuǎn)變的規(guī)律及機理、新型彌散相影響再結(jié)晶的規(guī)律及機理。l 研究淬火界面形核析出規(guī)律、多相界面協(xié)同調(diào)控淬透性與強韌性的作用，確立高淬透高強高

3、韌的多相適配微結(jié)構(gòu)模式。（2） 超強高韌耐蝕鋁合金成分與組織模式設(shè)計 l 研究al-zn-mg-cu合金高zn、低cu、低mg富鋁區(qū)主成分對析出第二相及其與基體電位差、極化行為的影響規(guī)律，設(shè)計新型超強鋁合金主成分。l 研究過渡族與稀土元素復(fù)合添加對al3zr晶體結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性的作用規(guī)律，確立新型多元彌散相，設(shè)計超強鋁合金的微合金化成分。l 研究新型多元鋁化物共格彌散相抑制鋁基體再結(jié)晶作用規(guī)律，揭示共格彌散相對強韌性和耐蝕性的影響規(guī)律及機理。l 研究基體晶界和第二相對耐蝕性和強韌性的協(xié)同作用及機理，確立超強高韌耐蝕的多相適配微結(jié)構(gòu)模式。（3） 中強高耐損傷鋁合金成分與組織模式設(shè)計 l 研究合金主

4、元素（cu、mg、li）與微量元素（er、zr）對耐損傷性能的影響規(guī)律與機理，設(shè)計新型耐損傷鋁合金的成分。l 研究誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)的耐損傷組織與織構(gòu)組態(tài)及其形成機理，探明提高耐損傷性能的基體組織模式。l 研究第二相種類（初生相、彌散相、沉淀相）、狀態(tài)（共格、半共格、非共格）、形貌（球狀、條狀等）與分布對耐損傷性能的影響規(guī)律與模型，揭示多類第二相提高疲勞裂紋擴展阻力的協(xié)同機制。l 研究耐損傷特征第二相及界面結(jié)構(gòu)的適配模式，發(fā)展耐損傷組織模式設(shè)計理論。3.2.2 三類高性能鋁合金材料的均勻制備為了突破大飛機急需的大規(guī)格高性能鋁合金材料均勻制備技術(shù)瓶頸，本項目從成分和制備過程多種物理場兩個方面協(xié)同調(diào)控宏

5、/細(xì)觀組織性能均勻性，形成高性能鋁合金材料的成分與多場協(xié)同調(diào)控制備理論。發(fā)展三類高綜合性能鋁合金材料制備原理與方法。為此需要開展下列研究工作，重點解決科學(xué)問題3（材料組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的制備多場調(diào)控規(guī)律及機理）。（1） 高性能鋁合金鑄錠及均勻化熱處理組織與成分的宏/細(xì)觀不均勻性及其調(diào)控 l 研究高性能鋁合金在半連續(xù)大規(guī)格鑄錠組織、成分的宏觀不均勻性及其形成規(guī)律，揭示冶金過程的傳輸（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）非均勻性形成機理。l 利用超聲鑄錠的前期研究基礎(chǔ)和工程化研究平臺，研究高性能鋁合金在超聲外場下溫度過冷和成分過冷特性，揭示合金成分凝固過冷超聲外場的關(guān)系及機理，尋求成分與超聲外場協(xié)同調(diào)控鑄

6、錠組織與成分宏/細(xì)觀均勻性的方法。l 研究高性能鋁合金大規(guī)格鑄錠組織、成分的宏/細(xì)觀不均勻性對淬透性、強韌性、耐蝕性、耐損傷性能的影響規(guī)律，揭示大規(guī)格鑄錠組織、成分遺傳影響規(guī)律。l 研究均勻化熱處理對共格彌散相晶內(nèi)/晶界細(xì)觀均勻分布的調(diào)控作用規(guī)律與機理，建立調(diào)控方法。（2） 高性能鋁合金形變組織的宏/細(xì)觀不均勻性及其調(diào)控 l 研究非對稱內(nèi)剪切軋制（龍形軋制）應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，建立龍形軋制穩(wěn)態(tài)剪切變形調(diào)控方法。l 研究龍形軋制劇烈內(nèi)剪切變形條件下的晶粒分裂和第二相破碎機制、晶界特性、111織構(gòu)形成機理，形成龍形軋制組織、織構(gòu)調(diào)控原理與方法。l 研究龍形軋制對韌性、耐蝕性、抗疲勞、耐損傷性的影響規(guī)

7、律，探明龍形軋制應(yīng)力場、溫度場對形變組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的調(diào)控作用。l 研究大壓下量控溫軋制形變對基體晶粒形狀、織構(gòu)不均勻性的影響規(guī)律和機理，確立超厚截面材料強變形組織均勻性的多場調(diào)控方法。（3） 高性能鋁合金熱處理組織的宏/細(xì)觀不均勻性及其調(diào)控 l 研究多級固溶對厚截面材料回復(fù)/再結(jié)晶組織細(xì)觀不均勻性的調(diào)控作用規(guī)律與機理，確立調(diào)控晶界角度分布的固溶熱處理方法，l 研究厚截面材料淬火非均勻換熱的時間與空間分布對組織和性能宏/細(xì)觀不均勻性的影響規(guī)律與機理，確立淬火過程中快速均勻冷卻調(diào)控原理與方法。l 研究厚截面材料淬火非均勻溫度場與第二相析出動力學(xué)效應(yīng)對多相組織宏/細(xì)觀不均勻性的耦合影響規(guī)律

8、與機理，研究界面?zhèn)鳠釋Υ慊饸堄鄳?yīng)力的影響規(guī)律，建立保證不同厚度材料淬透與殘余應(yīng)力最小的調(diào)控方法；l 預(yù)變形（拉伸、壓縮）對消減殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，建立調(diào)控方法。l 研究厚截面材料多級積分時效非均勻溫度場與高溫回歸動力學(xué)效應(yīng)對多相組織宏/細(xì)觀不均勻性的耦合影響規(guī)律與機理，確立多相適配微結(jié)構(gòu)宏/細(xì)觀均勻性的調(diào)控原理與方法。二、預(yù)期目標(biāo)4.1 總體目標(biāo)調(diào)整鋁合金體系主合金元素總含量不斷提高的原有設(shè)計方向，設(shè)計新的主合金成分，引入微量元素，發(fā)展高性能鋁合金成分與多相適配微結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論，形成三類鋁合金材料原型；發(fā)展高性能鋁合金大規(guī)格材料宏/細(xì)觀均勻性調(diào)控方法，突破制備技術(shù)瓶頸，為制備出大飛機工程急需的

9、高性能鋁合金材料提供指導(dǎo)。形成高性能鋁合金的研究隊伍與基地；支撐我國航空工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，并可應(yīng)用于其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。4.2 五年預(yù)期目標(biāo)創(chuàng)新發(fā)展宏/細(xì)觀組織性能均勻的優(yōu)異特征性能鋁合金成分設(shè)計與制備理論，發(fā)展高強高韌高淬透性、超強高韌耐蝕、中強高耐損傷三類新型鋁合金；發(fā)展高性能鋁合金組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的調(diào)控方法，制備航空重大工程急需的高性能鋁合金材料；滿足國家航空制造產(chǎn)業(yè)對高性能鋁合金的重大需求。1）理論目標(biāo)（1） 發(fā)展以合金元素固溶度為準(zhǔn)則，基于原子交互作用、相平衡和析出轉(zhuǎn)變的高性能鋁合金成分設(shè)計理論。（2） 發(fā)展基于基體、第二相及晶界結(jié)構(gòu)差與電位差的耐蝕多相適配微結(jié)構(gòu)模式設(shè)計理論和

10、方法。（3） 發(fā)展基于多尺度第二相、相界與位錯交互作用的耐損傷多相適配微結(jié)構(gòu)模式設(shè)計理論和方法。（4） 發(fā)展高性能鋁合金材料組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的成分與多場協(xié)同調(diào)控理論和方法。2）技術(shù)目標(biāo)（1） 形成高強高韌高淬透性新型鋁合金原型，韌性比現(xiàn)有材料水平提高20%以上（2） 形成超強高韌耐蝕新型鋁合金原型，耐應(yīng)力腐蝕性能關(guān)鍵指標(biāo)比現(xiàn)有材料水平提高30%以上。（3） 形成中強耐損傷新型鋁合金原型，耐損傷性關(guān)鍵指標(biāo)比現(xiàn)有材料水平提高25%以上。（4） 研制大飛機急需的三類典型高性能鋁合金材料。性能達(dá)到國外同類材料的水平，三維方向上性能差異10%；可廣泛用于航空航天、交通運輸、武器裝備等領(lǐng)域。3）論

11、文專著、專利與獲獎發(fā)表論文200篇，其中sci、ei源刊物150篇，專著23本，申報專利2030項，獲省部級以上獎勵23項。4）人才與基地培養(yǎng)出一批中青年學(xué)術(shù)帶頭人，造就一支隊伍，建設(shè)高性能鋁合金材料創(chuàng)新研發(fā)基地，提升我國高性能鋁材研發(fā)的創(chuàng)新能力。三、研究方案5.1 學(xué)術(shù)思路我國大飛機所需的高性能鋁合金材料目前存在的主要問題是綜合性能和均勻性不能滿足設(shè)計要求。原有鋁合金體系主合金元素含量不斷提高，低固溶度元素含量過高，難以徹底溶于鋁基體，殘余結(jié)晶相多，過飽和固溶體淬火過程中易分解，降低時效強化效應(yīng)，導(dǎo)致強度與淬透性、韌性、耐蝕性、耐損傷性之間的矛盾突出，并且隨著材料規(guī)格的增大，組織與性能宏/細(xì)

12、觀不均勻性愈益顯著。本項目解決這些問題的總體思路是：在我們前期對鋁合金體系主合金成分調(diào)控與微量元素作用研究的基礎(chǔ)上，以合金元素固溶度為準(zhǔn)則，調(diào)整主合金元素含量不斷提高的原有設(shè)計方向（如降低銅含量），并引入可形成共格多元彌散相的過渡族和稀土特定微量元素，尋求并確立新的多元過飽和固溶體與第二相，設(shè)計新型高性能鋁合金的主合金成分和微合金成分；并在新的固溶體（基體）和第二相的基礎(chǔ)上，研究高淬透性、高韌耐蝕、高耐損傷的多相微結(jié)構(gòu)形成與演變規(guī)律和調(diào)控方法，確立高性能鋁合金的多相適配微結(jié)構(gòu)的最佳模式，形成新型高性能鋁合金的原型。在創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化合金成分的基礎(chǔ)上，揭示合金成分和多種物理場對凝固、塑性加工、熱處

13、理多相組織宏/細(xì)觀均勻性的交互作用規(guī)律和機理，發(fā)展高性能鋁合金材料組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的調(diào)控方法，突破大規(guī)格高性能新型鋁合金材料的制備瓶頸。5.2 技術(shù)途徑針對三類不同強度級別合金的成分與多相微結(jié)構(gòu)設(shè)計和三類材料組織與性能的宏/細(xì)觀均勻性調(diào)控，本項目的技術(shù)途徑是：新型合金成分設(shè)計（包括大飛機急需材料的成分優(yōu)化設(shè)計） 實驗室小試 工程化平臺中試 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化?；境霭l(fā)點是設(shè)計新的主合金成分，并引入可形成共格多元彌散相的過渡族和稀土特定微量元素，形成析出可控的新型過飽和固溶體和第二相，確立發(fā)展高性能鋁合金的新途徑。1）發(fā)展高強高韌高淬透性鋁合金的技術(shù)途徑我們前期研究發(fā)現(xiàn)，在al-zn-mg-cu系

14、合金元素總量不變的情況下，采用高zn或低mg或低cu的主合金成分調(diào)控方法，調(diào)控固溶過程的再結(jié)晶宏/微織構(gòu)組態(tài)，能使該類合金在具備超高強度的同時，獲得較高韌性和淬透性指標(biāo)，獲得了發(fā)明專利，這為本項目開展新型高強高韌高淬透性鋁合金的研究打下了重要的基礎(chǔ)。本項目的技術(shù)途徑：改變al-zn-mg-cu合金體系提高主合金元素總量增加第二相強化效應(yīng)的設(shè)計方向，采用降低cu/mg、提高zn/mg的合金化方向設(shè)計新型合金的主成分，改變合金體系的多相平衡與相變特征；引入特定微量元素，形成新型多元鋁化物共格彌散相，影響時效析出早期溶質(zhì)原子團聚行為；基于新的主合金成分與微合金化成分設(shè)計高強高韌高淬透性鋁合金體系。通

15、過研究，探明該合金系中zn、mg、cu主合金元素總量及cu/mg、zn/mg對凝固相平衡、鑄態(tài)和固溶態(tài)導(dǎo)熱性的影響規(guī)律，為外場熔鑄調(diào)控鑄錠成分與組織均勻性、淬火調(diào)控厚截面材料淬透深度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；揭示新型多元鋁化物共格彌散相調(diào)控過飽和固溶體小角度晶界分布特性、進而影響析出行為的規(guī)律與機理，探明特定微量元素的固溶原子對時效析出早期溶質(zhì)原子團聚及析出序列的影響規(guī)律與機理，探索微量元素調(diào)控析出行為的新途徑；揭示新型過飽和固溶體的析出強化相、新型多元鋁化物共格彌散相和晶界/亞晶界組態(tài)對強韌性能的影響規(guī)律；綜合上述基于新型過飽和固溶體和析出相形成及其強韌化作用機理的研究結(jié)論，設(shè)計新型高強高韌高淬透性鋁合

16、金的成分和組織模式，突破al-zn-mg-cu系合金的強韌性和淬透性指標(biāo)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強高韌高淬透性鋁合金原型。同時為研制成功大飛機急需的厚截面大規(guī)格鋁合金材料所需解決的成分優(yōu)化方向、組織與綜合性能調(diào)控方法提供指導(dǎo)。2）發(fā)展超強高韌耐蝕鋁合金的技術(shù)途徑前期對al-zn-cu-mg超強鋁合金的研究發(fā)現(xiàn)，降低銅含量可以減少殘余凝固共晶相（al2cumg相），提高鑄造性能和材料韌性，為發(fā)展具有良好鑄造性能的超強高韌耐蝕鋁合金找到了突破口。此外，探索了微合金化元素對超強鋁合金的作用，發(fā)現(xiàn)了可有效抑制基體再結(jié)晶的新型多元共格彌散強化相，可同時提高強韌性、耐蝕性；發(fā)現(xiàn)熱處理調(diào)控晶界析出相cu含

17、量可提高耐蝕性，并獲得發(fā)明專利。這些發(fā)現(xiàn)為本項目開展新型超強高韌耐蝕鋁合金研究提供了基礎(chǔ)。本項目的技術(shù)途徑：調(diào)整主合金成分設(shè)計，降低銅含量，基于高zn、低cu合金化方向設(shè)計合金的主成分；基于新型多元鋁化物共格彌散相，設(shè)計多元微合金化超強鋁合金。通過研究，揭示降低cu含量改善超強鋁合金鑄錠塑性加工固溶處理工藝性能的作用及機理；探求al-zn-mg-cu系超強鋁合金的zn、mg、cu主合金成分對強韌性和耐蝕性的影響規(guī)律；研究高zn、低cu超強鋁合金晶內(nèi)晶界時效析出相的特征及多級時效調(diào)控方法，協(xié)調(diào)強韌性和耐蝕性，發(fā)展具有良好工藝性能的超強高韌耐蝕鋁合金原型。研究新型多元共格彌散相對超強鋁合金基體的共

18、格強化及亞晶組織的強化效應(yīng)；研究超強鋁合金的晶界（亞晶界）結(jié)構(gòu)特征對斷裂腐蝕過程的影響及機理；研究多元鋁化物共格彌散相抑制超強鋁合金基體再結(jié)晶、保留的形變回復(fù)微取向亞晶組織、減少大角度晶界，提高斷裂韌性和耐蝕性的作用規(guī)律，確立同步提高合金強度、韌性和耐蝕性的途徑?；诙嘣⒑辖鸹纬晒哺駨浬⑾喈a(chǎn)生的強化、韌化、抗腐蝕的作用規(guī)律，設(shè)計和優(yōu)化多元微合金化超強鋁合金的成分和組織模式，突破超強合金的強韌耐蝕性能，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超強高韌耐蝕鋁合金原型。同時，指導(dǎo)大飛機急需的超強高韌鋁合金材料的成分優(yōu)化與組織性能調(diào)控。3）發(fā)展中強高耐損傷鋁合金的技術(shù)途徑我們前期研究發(fā)現(xiàn)，減少雜質(zhì)（fe、si）相，

19、調(diào)整fe/si，降低al-cu-mg體系中cu含量，減少凝固共晶相和熱處理過剩相，可以減少疲勞裂紋萌生幾率；微合金化形成與基體共格的彌散相保持形變回復(fù)亞晶組織，形變熱處理改善析出相的分布均勻性，可以有效提高疲勞裂紋擴展阻力。這些認(rèn)識為本項目開展系列新型高耐損傷鋁合金的研究提供重要基礎(chǔ)。本項目的技術(shù)途徑：在al-cu-mg系中強耐損傷鋁合金（如2524或2e12）合金基礎(chǔ)上，基于降低fe/si、降低cu含量的方向優(yōu)化設(shè)計主合金成分；基于過渡族和稀土微量元素（zr、er、sc）等進行微合金化；設(shè)計新型中強高耐損傷鋁合金的成分。通過研究，探明fe/si變化對雜質(zhì)相、未溶相的形成及疲勞裂紋萌生與擴展的

20、影響規(guī)律和機理，探明共格彌散相在大塑性變形與反復(fù)軟化、固溶熱處理過程中的穩(wěn)定性，揭示al-cu-mg合金系中多級析出亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)在交變載荷與溫度條件下的演變對抗疲勞裂紋擴展性能的影響規(guī)律與機理；確立高耐損傷適配多相微結(jié)構(gòu)模式與形成新方法，提升合金的耐損傷性能。為發(fā)展高比強高比模高耐損傷鋁合金，大幅度降低銅含量，引入li等新的合金化元素，由al-cu-mg體系向al-mg(cu)-li-x新體系發(fā)展。基于降低雜質(zhì)元素總量和fe/si設(shè)計新型合金的雜質(zhì)控制方向；基于降低銅含量、提高mg含量，引入li等新的合金化元素設(shè)計主合金成分，與2524相比，將密度降低35%；基于er、zr、sc等新型多元鋁化物共

21、格彌散相，設(shè)計新型低密度高耐損傷容限鋁合金的主成分與微合金化成分。通過研究，揭示多外場（應(yīng)力場、溫度場、電場）協(xié)同作用下原子間的交互作用，溶質(zhì)原子團簇對主強化相誘發(fā)形核的作用及納微結(jié)構(gòu)演變機制，探索價電子結(jié)構(gòu)與材料耐損傷容限關(guān)鍵性能的相關(guān)性，為鋁合金耐損傷性能的提升提供深層次的理論指導(dǎo)；探明時效誘導(dǎo)微第二相析出機理及多相復(fù)合強韌化效應(yīng)，探明形變誘導(dǎo)高損傷特征微觀結(jié)構(gòu)形成機理及對裂紋擴展的抑制效應(yīng)，揭示新型低密度鋁合金多類析出相的微觀電化學(xué)特性與耐蝕性、疲勞裂紋萌生、擴展的相關(guān)性規(guī)律與機理，尋求新型鋁合金高耐損傷多相適配微結(jié)構(gòu)模式；大幅度突破現(xiàn)有鋁合金的耐損傷性能，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低密度高

22、耐損傷鋁合金原型，滿足我國發(fā)展多種特性功能飛機所需低密度高耐損傷鋁合金材料的需求，同時為研制成功大飛機急需的中強高耐損傷鋁合金材料所需解決的組織與綜合性能調(diào)控方法提供指導(dǎo)。4）提高高性能鋁合金材料組織與性能宏/細(xì)觀均勻性的技術(shù)途徑前期研究表明，降低al-zn-mg-cu系和al-cu-mg系合金中cu元素含量可以減少殘余共晶相和非平衡結(jié)晶相（如al2cumg、al2cu），不僅能改善鋁合金材料的加工性能，而且能提高最終材料的細(xì)觀組織均勻性；采用外場熔鑄不僅可以改善凝固組織及成分的宏/細(xì)觀均勻性，而且能降低大規(guī)格鑄錠開裂傾向。鋁合金成分變化引起的冶金遺傳效應(yīng)與多外場作用影響大規(guī)格材料宏/細(xì)觀組織

23、與性能均勻性的這些探索結(jié)果，為本項目開展高性能航空鋁合金材料宏/細(xì)觀均勻性調(diào)控研究打下了良好的基礎(chǔ)。本項目的技術(shù)途徑：在高強高韌高淬性、超強高韌耐蝕與中強高耐損傷鋁合金成分創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究成分對大規(guī)格（厚截面板材與鍛件、中厚板、薄板，型材等）鋁合金材料組織均勻性的影響規(guī)律，基于我國不斷提升的高性能鋁合金材料制備工裝平臺（如鋁合金高純凈化新平臺、4300軋機、12000噸拉伸機等），研究制備全過程中多種物理場變化規(guī)律與均勻性調(diào)控方法及其對組織、性能均勻性的影響規(guī)律與機理，制備全過程關(guān)鍵節(jié)點如圖8所示。圖8 高性能大規(guī)格鋁材均勻制備全過程的關(guān)鍵節(jié)點無論是本項目所需研究的三類新型鋁合

24、金原型，還是大飛機工程急需的三類鋁合金材料的均勻制備原理與方法的研究都會經(jīng)歷圖8中各關(guān)鍵節(jié)點，在研究的具體實施過程中，將結(jié)合材料的不同性能特征和不同厚度特征，各有側(cè)重地研究上述關(guān)鍵節(jié)點的原理與調(diào)控方法。例如，三類鋁合金材料制備需要解決大規(guī)格質(zhì)鑄錠的問題，但相對而言，厚截面高強高韌高淬透性材料制備對均質(zhì)無裂紋大規(guī)格鑄錠的需求更加迫切。將利用超聲鑄錠的前期研究基礎(chǔ)和工程化研究平臺，重點研究高強高韌高淬透鋁合金在超聲外場下凝固特征與組織遺傳特性，研究合金成分-凝固過冷-超聲外場的關(guān)系及機理，建立消減超大規(guī)格鑄錠組織與成分的宏觀不均勻性及殘余共晶相、非平衡結(jié)晶相、雜質(zhì)相等組織細(xì)觀不均勻性的超聲鑄錠調(diào)控

25、原理與方法。針對超強鋁合金中厚板需采用多級回歸再時效調(diào)控晶界析出相成分（電位）、大小、形態(tài)與分布的特點。將重點研究多級時效時效的相關(guān)基礎(chǔ)問題，如詳細(xì)展開研究超強鋁合金第二相高溫回歸的相變動力學(xué)積分效應(yīng)對多相組織性能的影響規(guī)律與機理，為多級積分時效提供依據(jù)；揭示升溫、降溫過程的溫度場調(diào)控強化相析出的宏/細(xì)觀均勻性的作用規(guī)律，建立高性能鋁合金多相適配微結(jié)構(gòu)宏/細(xì)觀均勻性的多級積分時效調(diào)控技術(shù)原型。針對龍形軋制顯著改善鋁合金板材厚向變形非均勻分布的特點，詳細(xì)研究龍形軋制的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，建立龍形軋制穩(wěn)態(tài)剪切變形調(diào)控方法，研究龍形軋制變形與再結(jié)晶組織、織構(gòu)的形成機理及對厚板韌性、耐蝕性和各向異性的影

26、響規(guī)律，探明龍形軋制對組織性能宏/細(xì)觀均勻性的作用與調(diào)控方法，形成高均勻性中厚板龍形軋制技術(shù)原型。鑄錠均勻化熱處理、固溶淬火預(yù)變形時效是調(diào)控航空高性能鋁合金大規(guī)格鋁材料宏/細(xì)觀組織性能均勻性的共性關(guān)鍵節(jié)點。必須結(jié)合上述三類典型新型鋁合金實現(xiàn)高特征性能的多相適配微結(jié)構(gòu)模式設(shè)計原理，研究并確定急需的高強高韌高淬透、超強高韌耐蝕、中強高耐損傷三類典型航空鋁合金材料的多相適配微結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。詳細(xì)研究三類典型航空鋁合金材料多相組織形成的動力學(xué)行為與外場條件耦合調(diào)控原理，建立成分工藝組織性能關(guān)聯(lián)調(diào)控方法：如多級均勻化熱處理調(diào)控彌散相晶內(nèi)/晶界分布均勻性，輥底噴淋淬火調(diào)控淬透厚度與殘余應(yīng)力，預(yù)拉伸（壓縮）調(diào)

27、控淬火殘余應(yīng)力等?？傊ㄟ^上述高性能鋁材制備全過程的共性工藝技術(shù)原理與調(diào)控方法的創(chuàng)新研究，以及針對材料性能與幾何特征展開的創(chuàng)新工藝方法原理研究，將突破高合金化、大規(guī)格鋁合金材料的高綜合性化、高均勻化制備技術(shù)瓶頸，成功研制出航空重大工程急需的高性能鋁合金材料，發(fā)展基于鋁合金成分與外場結(jié)合的高性能鋁合金組織與性能宏/細(xì)觀均勻性調(diào)控新原理與方法。5.3 創(chuàng)新和特色創(chuàng)新：（1） 提出以合金元素固溶度為準(zhǔn)則，以原子交互作用、相平衡和析出轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)設(shè)計鋁合金成分，發(fā)展高性能鋁合金的科學(xué)思路。（2） 提出以多相適配為準(zhǔn)則，設(shè)計耐蝕、耐損傷鋁合金微結(jié)構(gòu)模式的原理與方法。（3） 提出成分與多場協(xié)同調(diào)控鋁合金材

28、料宏/細(xì)觀不均勻性的新途徑。特色：（1） 緊密結(jié)合國家重大工程需求，將航空用高強高韌高淬透、超強高韌耐蝕、高損傷容限典型材料作為基礎(chǔ)研究的結(jié)合對象，基礎(chǔ)研究成果直接提升三大典型材料的服役性能。（2） 通過實驗室中試基地產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化緊密結(jié)合，構(gòu)建“材料性能設(shè)計合金設(shè)計材料制備材料應(yīng)用” 鋁合金材料研發(fā)的完整創(chuàng)新鏈，對接國家重大工程。（3） 建成了鋁合金材料基礎(chǔ)研究、制備技術(shù)與工程應(yīng)用結(jié)合的國內(nèi)最具綜合優(yōu)勢的產(chǎn)、學(xué)、研、用創(chuàng)新團隊，將知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新融為一體，為國家對高性能鋁合金材料發(fā)展的重大需求提供持續(xù)的創(chuàng)新能力。5.4 可行性分析本項目發(fā)展具有優(yōu)異特征性能的高性能鋁合金的學(xué)術(shù)思想、技術(shù)途徑是建立

29、在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的深入分析和各承擔(dān)單位前期工作的堅實基礎(chǔ)上的。在高性能鋁合金的研究中，各承擔(dān)單位已取得了不同程度的探索結(jié)果，積累了較豐富的研究經(jīng)驗、形成了較扎實的研究基礎(chǔ)與技術(shù)儲備。經(jīng)過本項目深入系統(tǒng)的研究和良好的組織，可以取得突破。針對國家重大需求，全面分析了國內(nèi)研究現(xiàn)狀，本團隊在前期973研究的基礎(chǔ)上，在鋁合金材料研究方面形成了很好的平臺、基地和團隊，最具綜合優(yōu)勢的產(chǎn)、學(xué)、研、用創(chuàng)新團隊，提出了本項目的學(xué)術(shù)思想，（1）前期研究工作為本項目的完成奠定了學(xué)術(shù)基礎(chǔ)本項目團隊前期工作已開展了改變主合金成分和引入微量元素的探索研究，發(fā)現(xiàn)可以形成新型過飽和固溶體和第二相，是有效提高鋁合金的

30、淬透性、韌性、耐損傷性和耐蝕性的可行途徑，這為本項目系統(tǒng)地開展三類典型強度級別高綜合性能鋁合金的主合金與微合金化成分設(shè)計打下了堅實基礎(chǔ)。在高強高韌高淬透性鋁合金研究方面，前期研究發(fā)現(xiàn)，高zn或低mg或低cu的主合金成分設(shè)計方向可調(diào)控該類合金的強度、韌性和淬透性，同時鑄造和塑性加工性能顯著改善，這為研究和發(fā)展高淬透性高強鋁合金找到了突破口；前期研究探索了影響高強鋁合金材料淬火敏感性的多因素物理模擬方法，初步研究了鋁合金材料多相微結(jié)構(gòu)對淬透性的影響；這些工作為本研究奠定了堅實基礎(chǔ)。通過本項目的深入研究，可發(fā)展出有我國特色的高強高韌高淬透性新型鋁合金設(shè)計理論和材料制備技術(shù)。在超強高韌耐蝕鋁合金研究方

31、面，前期對al-zn-cu-mg超強鋁合金的研究發(fā)現(xiàn)，降低銅含量可以減少殘余凝固共晶相（al2cumg相），提高鑄造性能和材料韌性；此外，前期研究中探索了同時添加過渡族和稀土微量元素對超強鋁合金的作用，發(fā)現(xiàn)可形成新型多元鋁化物共格彌散相，可完全抑制再結(jié)晶，提高形變回復(fù)微取向基體組織穩(wěn)定性，減少大角度晶界，可同時提高強韌性、耐蝕性；發(fā)現(xiàn)熱處理調(diào)控晶界析出相cu含量可提高耐蝕性，已獲授權(quán)專利多項。這些工作為本研究奠定了堅實基礎(chǔ)，通過本項目的深入研究，可望發(fā)展出有我國特色的新型超強高韌耐蝕鋁合金及其設(shè)計理論和材料制備技術(shù)。在中強高耐損傷性鋁合金研究方面，在十一五型號項目、鋁973項目的支持下，開展了

32、機身蒙皮用2e12高耐損傷鋁合金的研制工作，發(fā)現(xiàn)相鄰晶粒內(nèi)，兩個有利的滑移面之間的取向差是控制裂紋橫過晶界生長的關(guān)鍵因素；裂紋偏轉(zhuǎn)及次裂紋形核可大量消耗裂紋擴展所需的能量，從而降低裂紋擴展速率，同時發(fā)現(xiàn)該合金的強度與裂紋擴展速率相互制約的矛盾十分突出，且隨著板材厚度的增加，強度與耐損傷性能的協(xié)調(diào)難度更大，目前還不能全面滿足大飛機要求。前期探索發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)降低cu含量以及cu/mg比可以減少過剩相，引入微量ag可以催生111面的ag-mg原子團簇，添加微量er形成新型多元鋁化物共格彌散相，在保持或提高合金強度的同時，可顯著改善合金耐損傷性能。這為研究和發(fā)展高損傷容限鋁合金提供思路。另外上述前期

33、工作積累為本項目研究奠定了堅實基礎(chǔ)。通過本項目的深入研究，可望發(fā)展出有我國特色的中強高耐損傷鋁合金設(shè)計理論和材料制備技術(shù)。（2）鋁合金基礎(chǔ)研究、材料制備、應(yīng)用性能研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員相結(jié)合的研究隊伍本項目組織了國內(nèi)高性鋁合金研究、生產(chǎn)與航空應(yīng)用的10家優(yōu)勢單位，形成了一個具有雄厚研究實力和良好實驗條件的研究群體。特別值得指出的是我國高性能鋁合金材料制備的骨干生產(chǎn)企業(yè)，飛機的設(shè)計、材料檢測部門也是本項目的承擔(dān)單位，設(shè)計、檢測與生產(chǎn)企業(yè)直接參加基礎(chǔ)研究，在本項目建議的各研究方向上，均有參加單位的學(xué)者從事相關(guān)研究。通過研究團隊成員優(yōu)勢互補、協(xié)同合作，完全可以達(dá)到本項目所確定的目標(biāo)。（3）支持基礎(chǔ)研究成

34、果快速轉(zhuǎn)化的先進研究平臺經(jīng)過多年的積累和近年來的重點建設(shè)，項目研究承擔(dān)單位與本項目相關(guān)的國家級重點實驗室、國防科技重點實驗室、國家級工程研究中心、國家級企業(yè)技術(shù)中心、國家級有色金屬材料檢測分析中心、國家重點學(xué)科直接參加本項目研究。各承擔(dān)單位建立了優(yōu)勢互補、功能達(dá)到國際先進水平的材料微觀組織結(jié)構(gòu)與性能檢測分析的通用平臺。圍繞高性能鋁合金材料的自主創(chuàng)新，建立了從合金設(shè)計、材料制備到構(gòu)件制造的高性能鋁材工程化創(chuàng)新研究基地。擁有1萬余平方米的單元核心技術(shù)研究平臺和1萬余平方米的試制車間，形成了20噸級世界先進水平熔鑄試制生產(chǎn)線、4000噸等溫模鍛、800噸/2500噸多功能擠壓、1550mm軋機等塑性

35、變形工程化試制生產(chǎn)線，輥底固溶淬火、精密時效等熱處理工程化試制生產(chǎn)線，以及真空罐時效成形、多能場攪拌焊接、高速銑削、化銑等高性能鋁合金構(gòu)件成形工程化試制生產(chǎn)線。研究基地不僅能為為本項目開展基礎(chǔ)研究提供強力支持，而且能為基礎(chǔ)研究成果快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)技術(shù)提供工程化研究平臺，支持基礎(chǔ)研究成果的快速轉(zhuǎn)化，直接滿足國家重大需求。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年全面啟動本項目研究計劃，重點開展以下幾方面研究。l 研究al-zn-mg-cu系高zn、低cu、低mg富鋁區(qū)的相平衡與溫度和成分的關(guān)系。研究al-zn-mg-cu系合金析出轉(zhuǎn)變動力學(xué)成分關(guān)系。l 研究al-zn-mg-cu合金高zn、低cu、低

36、mg富鋁區(qū)主成分對析出第二相及其與基體電位差、極化行為的影響規(guī)律，設(shè)計新型超強鋁合金主成分。l 研究合金主元素（cu、mg、li）與微量元素（er、zr）對耐損傷性能的影響規(guī)律與機理。l 研究高性能鋁合金在半連續(xù)大規(guī)格鑄錠組織、成分的宏觀不均勻性及其形成規(guī)律。l 研究非對稱內(nèi)剪切軋制（龍形軋制）應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。l 研究多級固溶對厚截面材料回復(fù)/再結(jié)晶組織細(xì)觀不均勻性的調(diào)控作用規(guī)律與機理。l 研究厚截面材料淬火非均勻換熱的時間與空間分布對組織和性能宏/細(xì)觀不均勻性的影響規(guī)律與機理。l 確立淬火溫區(qū)穩(wěn)定、時效溫區(qū)析出的al-zn-mg-cu系高淬透性主成分區(qū)域。l 設(shè)計新型超強鋁合金主成分。l

37、設(shè)計新型耐損傷鋁合金成分。l 揭示鋁合金熔煉冶金過程的傳輸（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）非均勻性形成機理。l 建立龍形軋制穩(wěn)態(tài)剪切變形調(diào)控方法。l 確立調(diào)控晶界角度分布的固溶熱處理方法。l 確立淬火過程中快速均勻冷卻調(diào)控原理與方法。l 論文3540篇，專利56項。第二年在上年度研究的基礎(chǔ)上，開展以下幾方面的研究工作，側(cè)重獲得新型鋁合金原型。l 研究高強鋁合金淬透性和析出強韌化與成分的關(guān)系。l 研究過渡族與稀土元素復(fù)合添加對al3zr晶體結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性的作用規(guī)律。l 研究誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)的耐損傷組織與織構(gòu)組態(tài)及其形成機理。l 利用電磁和超聲鑄錠的前期研究基礎(chǔ)和工程化研究平臺，研究高性能鋁合金在復(fù)合外場下溫

38、度過冷和成分過冷特性，揭示合金成分凝固過冷復(fù)合外場的關(guān)系及機理。l 研究龍形軋制劇烈內(nèi)剪切變形條件下的晶粒分裂和第二相破碎機制、晶界特性、111織構(gòu)形成機理。l 研究厚截面材料淬火非均勻溫度場與第二相析出動力學(xué)效應(yīng)對多相組織宏/細(xì)觀不均勻性的耦合影響規(guī)律與機理，研究界面?zhèn)鳠釋Υ慊饸堄鄳?yīng)力的影響規(guī)律。l 設(shè)計高強高淬透性合金的主成分。l 確立新型多元彌散相，設(shè)計超強鋁合金的微合金化成分。l 探明提高耐損傷性能的基體組織模式。l 建立成分與外場協(xié)同調(diào)控鑄錠組織與成分宏/細(xì)觀均勻性的方法。l 形成龍形軋制組織、織構(gòu)調(diào)控原理與方法。l 建立保證不同厚度材料淬透與殘余應(yīng)力最小的調(diào)控方法。l 論文3540

39、篇，專利56項。l 初步獲得高淬透高強高韌、超強耐蝕、中強耐損傷新型鋁合金原型。關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)于同類材料的水平，在實驗室小試條件下：高淬透高強高韌合金性能：相當(dāng)于截面厚度300mm材料室溫水淬的冷卻速度條件，l向：b520mpa，0.2490mpa，10%，l-t向：kic 30 mpam1/2超強耐蝕合金性能：帶板，l方向：b650mpa，0.2625mpa，8%；l-t向：k1c30mpam1/2；kiscc15mpam1/2；應(yīng)力腐蝕門檻值300mpa/30天；剝落腐蝕達(dá)到ea級。中強耐損傷合金性能：板試樣sb430mpa，s0.2350mpa，15%，kapp=185mpam1/2

40、，da/dn2.010-3mm/cyc （kp=30mpam1/2）l 初步建立大飛機所需高淬透高強高韌、超強耐蝕、中強耐損傷鋁合金材料均質(zhì)制備技術(shù)原型。指導(dǎo)大飛機材料研制，試制材料綜合性能指標(biāo)滿足大飛機設(shè)計要求，性能不均勻性小于12%。第三年完成前兩年研究后，著重開展以下幾方面研究：l 研究過渡族和稀土元素影響共格相界向非共格相界轉(zhuǎn)變的規(guī)律及機理、新型彌散相影響再結(jié)晶的規(guī)律及機理。l 研究新型多元鋁化物共格彌散相抑制鋁基體再結(jié)晶作用規(guī)律。l 研究第二相種類（初生相、彌散相、沉淀相）、狀態(tài)（共格、半共格、非共格）、形貌（球狀、條狀等）與分布對耐損傷性能的影響規(guī)律與模型。l 研究高性能鋁合金大規(guī)格鑄錠組織、成分的宏/細(xì)觀不均勻性對淬透性、強韌性、耐蝕性、耐損傷性能的影響規(guī)律。l 研究龍形軋制對韌性、耐蝕性、抗疲勞、耐損傷性的影響規(guī)律。l 預(yù)變形（拉伸、壓縮）對消減殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。l 探明新型彌散相影響再結(jié)晶、淬透性與強韌性的規(guī)律