摘要
Al-Zn-Mg-Cu合金广泛应用与航空航天领域，而且由于先进航空飞行器向着重量减轻，机动性提高的方向发展，既能低成本又能很高效的制造出可靠性高、功能结构一体化的大型航空飞行器的部件成为了航空制造技术发展的新难题。由于大型复杂铝合金结构在飞行器上使用的越来越广泛，采用传统的塑性加工方法十分不便。增材制造技术是通过CAD设计数据，采用材料逐层累加的方法制造实体构件的技术。与传统制造技术相比，可以快速而精确地制造出各种复杂零件，大大减少了生产周期，降低了制造成本。 但目前关于Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材制造方面的研究较少，且多集中在成形方面。一方面，由于电弧增材制造热源的特殊性，沉积件的晶粒尺寸难以控制，难以提升性能;另一方面，仅通过热处理或加工硬化等手段，材料强度虽有大幅提升，但塑性却有所下降。这种强度-塑性博弈机械特性对金属材料应用提出了巨大挑战。 本研究采用了异质颗粒-热处理复合强化手段对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件组织性能进行改性，克服了Al-Zn-Mg-Cu合金的强度-塑性博弈的机械特性，并对沉积件强度-塑性提升机制进行了深入探讨。首先探究了TiN颗粒尺寸、浓度对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件组织性能的影响，并对沉积件的晶粒形貌和性能影响机制进行探讨。研究发现TiN(μm)沉积件晶粒尺寸由692.6μm降到了79.1 μm，细化效果达到了88.6％; TiN(nm)TiN沉积件晶粒尺寸减小到62.9μm，降低了92.9％，细化效果相近。虽然沉积件强度提升不明显，但延伸率大幅提升，水平延伸率提升了160％，垂直延伸率提升了98％。另外本研究通过对Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固过程和析出相等方面的探究得出异质形核和细晶强化是沉积件晶粒细化和塑性优化的主要机制。其次探究了热处理对沉积件组织性能的影响。研究发现热处理之后晶界处和枝晶间隙的溶质和杂质元素偏聚消失，不同形状的金属间化合物特征被抑制，Zn、Mg元素充分固溶进Al基体中。T6热处理对沉积件强度的提升作用最明显，较常规沉积件相比:水平拉伸强度由243MPa提升到了513MPa、垂直拉伸强度由230MPa提升到了504MPa、显微硬度由119HV提升到了205HV，并且在垂直方向上分布更加均匀。 最终通过复合加工手段成功得到了强度-塑性双提升的沉积件。沉积件两方向上的拉伸强度由219.4MPa提升到487.9MPa(水平)，252.2MPa提升到469.3MPa(垂直)，强化效果分别达到了122.3％和86.1％，硬度由105.3HV增长到192.2HV，增长了82.5％，延伸率由4.6％提升到12.6％（水平），6.2％提升到10.0％（垂直），分别提升了173.9％和61.3％。且波动较小。另外本研究通过对Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固过程、析出相等方面的探究得出细晶强化、沉淀强化的综合作用是沉积件性能强化的主要机制。
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