摘要
7085Al 合金作为新一代航空用铝合金，具有高强度、高耐疲劳且加工性能优良的特点，成功应用于空客 A380 等航空航天领域。但是，随着航空航天用铝合金关键部件服役环境更加苛刻，且向大型化、复杂化、高性能方向发展，对 7085Al 合金的综合性能要求越来越高，尤其是高强韧及可焊性。然而，由于 7085Al 合金存在强度与塑（韧）性呈倒置关系、焊接性能差，制约了其进一步应用和发展。因此，提高 7085Al 合金的强韧性与可焊性已成为迫切需求。本论文设计开发原位(ZrB2+Al2O3)纳米颗粒与稀土 Er 协同增强7085Al 基复合材料，研究了(ZrB2+Al2O3)纳米颗粒与稀土 Er 协同作用对复合材料微观组织及力学性能的影响规律，重点研究了(ZrB2+Al2O3)纳米颗粒与稀土 Er协同作用对搅拌摩擦焊接（FSW）接头微观组织和焊接性能的影响规律，揭示了复合材料的强韧化机制及焊接机制。主要研究结果如下： 复合材料的微观组织研究表明：通过原位反应成功合成了ZrB2和Al2O3双相纳米颗粒， ZrB2纳米颗粒呈六方多面体，与 α-Al基体呈半共格界面关系，Al2O3纳米颗粒呈近球形，与 α-Al基体呈共格界面关系，纳米颗粒平均尺寸为 79.6 nm。经热处理后，生成圆球形的纳米级Al3(Er，Zr)析出相，平均尺寸为 25.7 nm。引入稀土 Er 显著改善了纳米颗粒的团聚现象，使纳米颗粒分布更加均匀。原位纳米颗粒及稀土协同作用具有突出的晶粒细化效果， 3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/7085Al-0.3 wt.% Er 复合材料平均晶粒尺寸为 33.9 μm，较基体7085Al合金的晶粒细化了69.1%。热挤压加工后颗粒团簇进一步被打碎，沿挤压方向重新分布。基体内弥散分布的第二相粒子，在热挤压过程中具有促进动态再结晶、抑制晶粒长大的作用，晶粒尺寸得到进一步细化，3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/7085Al-0.3 wt.% Er复合材料挤压材的平均晶粒尺寸仅为 2.5 μm，较基体 7085Al合金细化了 83.8%。 复合材料的力学性能研究结果表明：在原位纳米颗粒作用下，3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/ 7085Al 复合材料挤压材的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率为 646.1 MPa、518.5 MPa 和17.7%，较基体 7085Al 合金分别提高了 12.4%、9.9%和 9.3%。在原位纳米颗粒与稀土的协同作用下，3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/7085Al-0.3 wt.% Er复合材料挤压材的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率进一步提升至 668.5 MPa、541.9 MPa和 19.2%，与 7085Al合金基体相比分别提高了16.3%、14.8%和18.5%。复合材料主要强化机制包括Orowan强化、细晶强化、CTE强化及载荷传递强化。复合材料韧性提高的机制主要在于以下方面：首先原位纳米颗粒与基体结合性好，减少裂纹萌生几率；其次原位纳米颗粒与稀土析出相对基体均具有细化晶粒作用，单位面积内晶界面积越大，对裂纹扩展的阻碍作用越强；此外原位纳米颗粒对裂纹扩展也具有阻碍作用，裂纹扩展过程需要消耗更多的能量，达到提高塑性的目的。 复合材料的搅拌摩擦焊接（ FSW ）焊接性能研究表明：在原位纳米颗粒作用下， 3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/7085Al 复合材料 FSW 焊接接头抗拉强度、屈服强度和断后伸长率为603.4 MPa、471.8 MPa和 15.2%，与 7085Al合金 FSW接头相比分别提高了 18.3%、8.9%和13.4%；焊接接头系数为93.4%，较7085Al合金FSW焊接接头提高了5.3%。在原位纳米颗粒与稀土的协同作用下，3 vol.% (ZrB2+Al2O3)/7085Al-0.3 wt.% Er复合材料 FSW焊接接头抗拉强度、屈服强度和断后伸长率进一步提高至 640.4 MPa、512.9 MPa和 16.3%，与7085Al 合金 FSW 焊接接头相比分别提高了 25.6%、18.3%和 21.6%；焊接接头系数达到95.8%，较 7085Al合金 FSW焊接接头提高了 8.0%。复合材料的 FSW焊接接头强度提高机制主要有以下方面：第一、(ZrB2+Al2O3) 纳米颗粒与 Al3(Er，Zr) 析出相具有优异的高温稳定性，能够钉扎晶界，抑制焊接接头内晶粒长大，起到细晶强化效果；第二、(ZrB2+Al2O3) 纳米颗粒与基体之间存在较大的热膨胀系数差，导致焊接接头内位错密度增加，起到 CTE 强化效果，第三、(ZrB2+Al2O3) 纳米颗粒与 Al3(Er，Zr) 析出相具有阻碍位错运动的作用，形成位错环，起到 Orowan 强化效果。第四、(ZrB2+Al2O3) 纳米颗粒受到外力载荷时，可充当载荷载体，起到载荷传递强化效果。
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