锌含量对超高强度Al-xZn-2.8Mg-1.0Cu合金微观结构、力学性能及耐腐蚀性的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Zn content on the microstructure, mechanical performances, and corrosion resistance of ultra-high strength Al-xZn-2.8Mg-1.0Cu alloy with high Zn content

研究通过调控Al-xZn-2.8Mg-1.0Cu合金中Zn含量（7.0-12.3 wt.%），结合EBSD、TEM、APT等技术，发现Zn含量超过10.6 wt.%时，过量的Zn原子因固溶度限制形成未溶解的AlZnMgCu相，导致合金强度趋于稳定（771 MPa）但塑性显著下降（5.8%）。腐蚀性能分析表明，Zn含量与过烧温度呈负相关，且Zn含量升高会加剧电化学腐蚀和晶界剥落腐蚀，最优Zn含量为10.6 wt.%平衡强度（771 MPa）与塑性（12.5%）及腐蚀性能。

　　在铝合金材料领域，Al-Zn-Mg-Cu系列合金因其卓越的强度、韧性及抗腐蚀能力而备受关注。这类合金被广泛应用于航空航天、汽车等对材料性能有严格要求的工业领域。然而，随着合金成分的不断优化，特别是锌（Zn）含量的提升，如何在保证强度的同时兼顾材料的塑性和抗腐蚀性能，成为科研人员面临的重要课题。本文通过对Al-xZn-2.8Mg-1.0Cu合金体系中不同Zn含量的系统研究，揭示了Zn含量对材料微观结构、力学性能及腐蚀行为的影响机制，为实现材料性能的综合优化提供了科学依据。

研究采用多种先进材料表征技术，如电子背散射衍射（EBSD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT），对不同Zn含量合金的微观结构演变进行了详细分析。同时，结合拉伸试验、剥落腐蚀试验（EXCO）和电化学测试，评估了合金的综合性能表现。研究结果表明，随着Zn含量的增加，合金的强度显著提升，但塑性却逐渐下降，且抗腐蚀能力也随之减弱。因此，确定一个Zn含量的临界值，使合金在强度、塑性和抗腐蚀性能之间达到最佳平衡，成为本研究的核心目标。

在铸造状态下的合金中，Zn含量对晶粒尺寸的影响较小，但对过烧温度具有明显影响。随着Zn含量的增加，过烧温度降低，这为后续热处理工艺参数的设定提供了参考。此外，通过差示扫描量热分析（DSC）和X射线衍射（XRD）发现，Zn含量的提升促进了非平衡共晶相的形成，这些相在固溶处理后未能完全溶解于基体中，以第二相的形式存在。在固溶处理后，合金中的残余第二相体积分数和尺寸均随Zn含量增加而显著提升，但当Zn含量超过一定阈值后，其增长趋势趋于稳定。这表明，Zn含量在某一范围内可以有效提升合金的强度，但超过该范围后，由于第二相的增加，合金的塑性开始受到限制。

在固溶处理和时效处理过程中，Zn含量对析出相的种类和数量具有显著影响。研究发现，在低Zn含量的合金中，η'和T'相会共析出，而在高Zn含量的合金中，主要析出的是η'相。随着Zn含量的增加，析出相的体积分数和尺寸先迅速上升，随后趋于稳定。这种变化趋势与合金的强度变化密切相关：当Zn含量从7.0%增加到10.6%时，合金的强度从705 MPa迅速提升至771 MPa，但进一步提高Zn含量后，强度不再显著增加。同时，随着Zn含量的增加，合金的伸长率持续下降，这与大量不可溶第二相的存在有关。这些第二相在拉伸过程中容易形成应力集中，成为裂纹萌生的起点，从而降低合金的塑性表现。

在腐蚀性能方面，研究指出，Zn含量的增加会显著降低合金的抗剥落腐蚀（EXCO）能力和电化学腐蚀能力。在EXCO试验中，随着Zn含量的增加，合金表面出现的剥落区域和金属气泡显著增多，表明材料的抗腐蚀能力下降。电化学测试进一步揭示了Zn含量对合金腐蚀行为的影响：随着Zn含量增加，合金的腐蚀电位变得更负，腐蚀电流密度显著上升，表明材料更容易发生腐蚀。这些结果表明，Zn含量的提升虽然能增强合金的强度，但同时会增加其对腐蚀的敏感性。

通过透射电镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）的分析，研究还发现，析出相的分布和形态对合金的性能具有重要影响。在低Zn含量合金中，析出相主要以球形和杆状存在，而在高Zn含量合金中，析出相主要呈现为球形。此外，析出相的尺寸和分布密度也随Zn含量的增加而发生变化。当Zn含量增加至一定水平后，析出相的体积分数和尺寸趋于稳定，这表明在该点之后，进一步增加Zn含量对强度提升的效果有限，但对塑性和抗腐蚀性能的负面影响却持续存在。

研究还进一步探讨了不同Zn含量合金在不同机械性能机制下的表现。例如，固溶强化、晶界强化、位错强化和析出强化是Al-Zn-Mg-Cu合金的主要强化机制。其中，析出强化被认为是最重要的机制，因为它直接影响合金的强度和韧性。随着Zn含量的增加，析出相的数量和体积分数上升，从而增强了合金的析出强化效果。然而，过量的Zn含量会导致析出相的过度形成，从而在材料内部产生更多的应力集中点，影响其延展性。

在力学性能分析中，研究发现，随着Zn含量的增加，合金的强度呈现出先快速提升后趋于稳定的趋势。这一现象与析出相的演变密切相关。在Zn含量较低的合金中，析出相的种类和分布较为复杂，包括T'和η'相，而随着Zn含量的增加，析出相逐渐以η'相为主。这种转变不仅影响合金的强度，还对其塑性产生影响。研究还通过不同的强化机制分析，揭示了Zn含量对各强化机制的贡献，进一步解释了合金强度变化的内在原因。

综上所述，本研究通过系统分析不同Zn含量对Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构和性能的影响，发现10.6 wt.%的Zn含量是实现合金综合性能最佳的临界值。该合金在强度、塑性和抗腐蚀性能之间达到了良好的平衡，为未来高性能铝合金的开发提供了重要的理论依据和实践指导。此外，研究还指出，Zn含量的过度增加不仅不会进一步提升合金性能，反而会导致性能的下降，这为工业应用中合金成分的优化提供了明确的方向。