简介概要

热处理对喷射成形超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的影响

来源期刊：中国有色金属学报2004年第3期

论文作者：王洪斌刘慧敏黄进峰张济山张永安熊柏青

文章页码：398 - 404

关键词：超高强度铝合金；固溶处理；时效处理

Key words：ultrahigh strength aluminum alloy； solid-solution treatment； ageing treatment

摘要：研究了2种不同热处理方式对喷射成形超高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的显微组织和力学性能的影响。观察了沉积态、挤压态、固溶及时效处理后样品的显微组织，对经时效处理的样品进行了力学性能测试。结果表明：沉积态合金晶粒均匀细小；挤压态合金存在大量的第二相颗粒，为富铜相；固溶处理后，合金出现了再结晶现象。在T6条件下，采用常规470单级固溶和时效处理，其抗拉强度仅为710MPa，延伸率为6.5%；采用双级固溶和时效处理，其抗拉强度超过800MPa，延伸率达到9.3%。

Abstract: The microstructures of as-deposited, extruded and heat treated ultra-high strength aluminum alloys（Al-Zn-Mg-Cu）were investigated. The tensile properties of the heat-treated alloys were tested. The results show that fine and homogeneous grain structure is obtained in as-deposited alloy. However， there are a large amount of Cu-rich particles as determined by energy dispersion spectroscopy (EDX) in as-extruded alloy. The recrystallization occurs in the heat-treated alloy. On the condition of T6 treatment, the ultimate tensile strength of the alloy following single solid-solution treatment is kept on no more than 700MPa with an elongation of 6.5%. However, the tensile strength of the alloy following dual solid-solution treatment is kept over 800MPa with an elongation of 9.3%.

中国有色金属学报 2004,(03),398-404 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.03.012

热处理对喷射成形超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的影响

王洪斌刘慧敏黄进峰张济山张永安熊柏青

北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

研究了2种不同热处理方式对喷射成形超高强度Al Zn Mg Cu系铝合金的显微组织和力学性能的影响。观察了沉积态、挤压态、固溶及时效处理后样品的显微组织,对经时效处理的样品进行了力学性能测试。结果表明:沉积态合金晶粒均匀细小;挤压态合金存在大量的第二相颗粒,为富铜相;固溶处理后,合金出现了再结晶现象。在T6条件下,采用常规470℃单级固溶和时效处理,其抗拉强度仅为710MPa,延伸率为6.5%;采用双级固溶和时效处理,其抗拉强度超过800MPa,延伸率达到9.3%。

关键词：

超高强度铝合金;固溶处理;时效处理;

中图分类号： TG162

作者简介：王洪斌(1970),男,博士研究生.;

收稿日期：2003-07-03

基金：国家"八六三"计划资助项目(2001AA332030);

Effects of heat-treatment on microstructure and mechanical properties of ultra-high strength spray deposited Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloy

Abstract：

The microstructures of as-deposited, extruded and heat treated ultra-high strength aluminum alloys(Al-Zn-Mg-Cu)were investigated. The tensile properties of the heat-treated alloys were tested. The results show that fine and homogeneous grain structure is obtained in as-deposited alloy. However, there are a large amount of Cu-rich particles as determined by energy dispersion spectroscopy (EDX) in as-extruded alloy. The recrystallization occurs in the heat-treated alloy. On the condition of T6 treatment, the ultimate tensile strength of the alloy following single solid-solution treatment is kept on no more than 700 MPa with an elongation of 6.5%. However, the tensile strength of the alloy following dual solid-solution treatment is kept over 800 MPa with an elongation of (9.3%.)

Keyword：

ultrahigh strength aluminum alloy; solid-solution treatment; ageing treatment;

Received： 2003-07-03

超高强度Al-Zn-Mg-Cu(7000系)铝合金 ^[1,2,3] 具有高比强度及优良的综合性能, 是航空航天、交通运输及其他工业部门的重要结构材料。通过选择合理的制坯工艺及热处理制度, 这种材料能够获得较高的硬度、强度和断裂韧性, 还可改善其热稳定性, 增加抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀的能力。特别是快速凝固(如喷射成形)技术的成功应用, 为提高铝合金的强度提供了一条新的途径。

喷射成形技术具有改善合金元素的固溶度, 减少偏析, 细化晶粒, 改善第二相的尺寸、形状及分布等优点, 受到了广泛的重视。美国、德国、瑞士等国 ^{[4,5,6,7,8,9]} 已开展了喷射成形超高强度铝合金的研究, 取得了一定的成果。中国对喷射成形超高强度铝合金的研究较晚 ^[10,11] , 对强韧化的各种机理尚不清楚。尤其是Zn含量在9%(质量分数)以上的铝合金, 其热处理制度更加复杂, 需进一步探索。

本文的主要目的是研究具有较高Zn含量(10%)的喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系铝合金合理的热处理工艺。热处理制度的选择, 特别是固溶制度的选择参考了国内外的一些文献 ^{[6,7,8,9,10,11,12,13,14]} 。这些文献中所采用的热处理制度可概括为2种: 一种为单级固溶处理 ^{[6,7,8,9,10,11]} ; 另一种为双级固溶处理 ^[12,13,14] 。 2种不同的热处理工艺导致合金的抗拉强度存在差异, 但总体上, 合金的抗拉强度能够稳定地达到700 MPa以上。因此, 通过研究不同热处理制度对喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系铝合金显微组织及力学性能的影响, 可实现优化热处理工艺的目的。

1 实验方法

喷射成形实验所用的7000系铝合金成分见表1。采用的雾化气体为氮气, 雾化主气路压力为0.5～0.65 MPa, 喷射沉积温度为880 ℃。所得到的沉积态圆锭经机加工后(d 122 mm)进行热挤压, 挤压温度为420 ℃, 挤压速度为0.17～0.23 m/min, 挤压比为24∶1, 最终挤压成为圆形棒材(d 25 mm)。采用固溶温度470 ℃, 保温1 h及450 ℃保温3 h+485 ℃保温3 h 2种固溶制度, 采用水淬及120 ℃保温24 h的时效处理。通过leitz-DMIXT型光学显微镜、 CAMBRIDGE-S250型扫描电子显微镜、 X射线衍射仪等对晶粒结构、形貌、分布以及断口表面等进行了观察与分析; 采用Leica显微维氏硬度测量仪对单级固溶时效后的样品进行了硬度测试, 所用载荷质量为50 g, 加载时间为10 s; 拉伸试验在MTS-810力学性能实验机上进行。

表1 实验合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions ofalloy(mass fraction,%)

Zn	Mg	Cu	Zr	Ni	Al
10.01	2.86	1.70	0.13	0.15	Bal.

2 结果及讨论

2.1 沉积态组织

图1(a)所示为沉积态合金的典型组织形貌, 其晶粒尺寸一般为20～40 μm, 晶粒形状为球形。各晶粒间晶界明显, 存在着孔隙, 孔隙大小和晶粒大小与喷射沉积时的雾化压力、沉积速率及沉积距离等因素有关。这与Lengsfeld等 ^[6,7] 研究喷射沉积7150Al合金时所观察到的组织形貌基本一致, 其平均晶粒尺寸在25～35 μm之间。通过X射线衍射分析(图1(b))可知沉积态合金由α(Al), CuAl₂及MgZn₂相组成。

2.2 挤压态组织

图2所示为挤压态合金的显微组织, 这与文献 [ 6, 9, 10, 11] 中的显微组织形貌相似。文献 [ 6] 中, 7150×合金挤压温度为400 ℃和375 ℃, 挤压比为16∶1, 在挤压温度为400 ℃时材料出现了再结晶, 而在375 ℃时未发现再结晶。而本次实验采用的挤压温度为420 ℃, 挤压比为24∶1; 对合金显微组织进行观察, 没有发现出现再结晶, 这与文献 [ 6] 所述的结果有所不同。从图2中还发现, 合金内存在大量的均匀细小颗粒(黑点), EDX(表2)分析表明这些颗粒为富铜相颗粒; 而合金内部大的颗粒(大黑点)经过能谱分析(表3)表明为富铁相, 这属于合金的杂质相, 对合金的性能是不利的, 这种大块颗粒相的存在与母合金熔炼等因素有关。挤压棒材的X射线衍射分析结果与沉积态合金的衍射结果基本相同, 说明在挤压过程中合金内各相没有发生太大的变化。

图1 沉积态合金的显微组织和X射线衍射谱

Fig.1 Microstructure(a) and XRD pattern(b) of as-deposited alloy

图2 挤压态合金的显微组织

Fig.2 Microstructures of as-extruded alloy (a)—Longitude direction; (b)—Transverse direction

表2 富铜合金颗粒能谱数据

Table 2 EDX data of Cu-rich particle

Element	Mole fraction/ %	Mass fraction/ %	Error (±)	Norm mass fraction/ %
Al	56.62	35.58	0.16	35.58
Cu	38.23	56.58	1.23	56.58
Zn	5.15	7.84	0.74	7.84

表3 富铁合金颗粒能谱数据

Table 3 EDX data of Fe-rich particle

Element	Mole fraction/ %	Mass fraction/ %	Error (±)	Norm mass fraction/ %
Mg	5.48	3.96	0.12	3.96
Al	73.12	58.70	0.35	58.70
Fe	13.89	24.28	0.77	24.28
Ni	3.36	5.13	0.64	5.13
Cu	2.92	5.53	0.66	5.53
Zn	1.23	2.39	0.60	2.39

2.3 热处理

为了研究热处理对喷射成形挤压态铝合金的显微组织和力学性能的影响, 采用了2种不同的固溶处理方式。图3(a)～3(d)所示分别为单级固溶处理及双级固溶处理的显微组织照片。

采用单级固溶处理 ^{[6,7,8,9,10,11]} , 对合金进行450, 460, 470, 480, 490, 500 ℃各保温1 h的固溶处理。图3(a)所示为470 ℃保温1 h的金相照片。可以看到, 与挤压态合金相比, 第二相富铜颗粒大量溶解, 同时出现了再结晶现象, 并且再结晶晶粒明显长大。由各固溶温度下的显微组织可以发现, 随着固溶温度的升高, 第二相富铜颗粒随之减少, 再结晶晶粒发生长大。根据合金在各固溶温度下出现再结晶和第二相颗粒溶解情况, 判定470 ℃是比较合适的固溶处理温度。

采用双级固溶处理时 ^[12,13,14] , 第1级固溶处理采用450 ℃保温3 h, 迅速升温至第2级固溶处理(465, 475, 480, 485 ℃)各保温3 h。第1级固溶处理主要是均匀化, 使Zr及Ni原子均匀扩散到晶界附近, 抑制再结晶晶粒的长大 ^[15,16] ; 第2级固溶处理的目的是通过提高固溶温度来减少第二相富铜颗粒, 使其大量溶解。图3(b)～3(d)所示为采用(450 ℃, 3 h)+(485 ℃, 3 h)双级固溶处理的各阶段的显微组织。从图3(b)中发现在450 ℃固溶时, 合金颗粒相发生溶解, 并出现了再结晶; 经485 ℃固溶处理后(图3(c)), 富铜颗粒相进一步减少, 再结晶晶粒进一步长大; 观察时效处理前后的显微组织(图3(c)和图3(d)), 富铜颗粒相及再结晶晶粒尺寸没有太大的变化。

比较图3(a)和图3(c)发现, 采用单级470 ℃固溶处理的第二相颗粒尺寸比采用双级(450 ℃,3 h)+(485 ℃, 3 h)固溶处理的第二相颗粒尺寸大, 而再结晶晶粒没有双级固溶后的再结晶晶粒尺寸大。出现这种情况的原因, 认为是采用双级固溶处理时, 450 ℃低温固溶处理可消除合金内存在的挤压变形残余应力, 降低富铜颗粒及再结晶晶粒长大的动力, 从而实现均匀化的目的; 至485 ℃时, 富铜颗粒继续溶解、减小。对合金的再结晶进行分析, 认为第二相颗粒对合金的再结晶晶粒大小有影响, 这与第二相颗粒位于晶界处, 对再结晶晶粒起钉扎作用有关。

图3 2种固溶处理合金的显微组织

Fig.3 Microstructures of solid-solution treated alloy (a)—470 ℃, 1 h; (b)—450 ℃, 3 h; (c)—(450 ℃, 3 h)+(485 ℃, 3 h); (d)—(450 ℃, 3 h)+(485 ℃, 3 h)+(120 ℃, 24 h)

总的说来, 提高温度会使再结晶晶粒发生长大, 导致合金强度的降低, 使合金的力学性能下降; 但由于温度升高, 第二相颗粒的回溶数量会增加, 能够促进合金强化相析出的数量, 从而增加合金的强度。因此, 在不出现晶界熔化 ^[12] 及完全再结晶, 保证第二相颗粒大量回溶的条件下, 采用升高温度的方法, 是提高强度的有效途径之一。

图4所示为挤压态合金单级固溶处理后的X射线衍射谱。可以看出CuAl₂及MgZn₂已溶解到基体中, 合金内只有α(Al)相。双级固溶处理合金的X射线衍射结果与单级固溶处理的结果一致。但采用X射线衍射还无法确定单级固溶处理及双级固溶处理后, 合金回溶的量的变化。

2.4 力学性能

2.4.1 单级固溶处理

由于合金的硬度与强度之间存在一定的关系, 可以通过测量合金硬度的方法来找出合理的时效时间。采用的固溶温度为470 ℃, 保温1 h; 时效温度为120 ℃, 时效时间为3～33 h。图5所示为合金时效后的硬度曲线。可以看出, 在时效时间20～25 h之间合金存在最大硬度值, 这与文献 [ 6, 7, 8, 9] 所述的采用120 ℃保温24 h的结果一致。力学性能测试结果见表4。

2.4.2 双级固溶处理

在维持第1级固溶处理制度不变的前提下, 对第二级固溶处理的温度进行了研究, 采用与单级固溶相同的时效制度。力学性能测试结果见表4。

由表4可以看出, 合金在2级固溶温度为465 ℃和475 ℃时, 随着固溶温度的升高, 抗拉强度增大, 到480 ℃时达到了强度最大值, 而到了485 ℃时强度有所下降, 这可能与前述的再结晶晶粒长大及第二相颗粒的溶解有关。

对比文献 [ 6, 7, 8, 9, 10, 11] 结果可见, 470 ℃固溶1 h时效后, 合金的屈服强度和抗拉强度比较低。文献[6]采用480 ℃固溶, 抗拉强度为818 MPa, 延伸率为6.5%; 文献 [ 11] 采用460 ℃固溶, 抗拉强度为754 MPa, 延伸率为8%; 而本实验结果仅为710 MPa, 延伸率为6.5%, 这说明合金采用此种固溶处理, 延伸率比较低。文献 [ 12] 采用(455 ℃, 1 h)+(487 ℃, 2 h)双级固溶处理, 合金屈服强度达到770 MPa, 抗拉强度达到805 MPa, 延伸率为9.0%。本实验合金采用(450 ℃, 3 h)+(485 ℃, 3 h)双级固溶处理后, 屈服强度达到785 MPa, 抗拉强度达到803 MPa, 延伸率为9.3%。说明采用此种热处理方式具有与文献 [ 12] 相似的特性, 并且合金的强度及延伸率比单级固溶时的强度和延伸率都得到了明显的改善, 特别是抗拉强度达到800 MPa以上。

图4 单级固溶处理合金的X射线衍射谱

Fig.4 XRD pattern of solid-solution treated alloy

图5 单级固溶合金在120 ℃时效的硬度曲线

Fig.5 Hardening-curve of alloy aged at 120 ℃

表4 合金的室温拉伸性能

Table 4 Tensile properties of solid-solutiontreated and aged alloys

Sample No.	Heat treatment	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%
1	470 ℃, 1 h	710	710	6.5
2	(450 ℃, 3 h)+ (465 ℃, 3 h)	763	753	9.0
3	(450 ℃, 3 h)+ (475 ℃, 3 h)	780	775	8.0
4	(450 ℃, 3 h)+ (480 ℃, 3 h)	812	799	8.5
5	(450 ℃, 3 h)+ (485 ℃, 3 h)	803	785	9.3

由此可知, 固溶处理制度对合金的力学性能有显著影响, 本实验合金由于固溶制度的差异, 抗拉强度已相差100 MPa左右。为找到出现这种情况的原因, 对挤压态合金进行了DSC分析(图6), 发现合金在474.6 ℃时, 存在1个吸热峰。也就是说, 在474.6 ℃时, 合金内可能存在着相变, 且此相变可能是导致合金强度和延伸率提高的重要原因。经分析认为, 这种相变导致大量的第二相溶解, 使合金的析出强化能力增强。但相变如何影响合金的强度及延伸率, 还将做进一步的研究。

图6 挤压态合金的DSC曲线

Fig.6 DSC curve of extruded alloy

关于双级固溶处理显著提高合金力学性能的原因, Bruce等 ^[15,16] 认为与晶界处微量元素Zr及Ni原子抑制再结晶晶粒长大 ^[15,16] 及富铜相的溶解数量有关。一般说来, 第1级固溶处理属于低温处理, 这种处理方式使Zr及Ni原子能够均匀细小地分布在晶界处, 达到抑制第2级固溶处理后再结晶晶粒长大的目的; 而单级固溶处理由于固溶温度较高, Zr及Ni原子来不及均匀扩散, 直接发生了自身的长大, 从而导致其抑制再结晶晶粒长大效果的减弱。同时更高的第2级固溶处理温度, 使得大量的富铜相颗粒溶解, 增高了固溶度, 增加了时效析出强化效果。所以, 合金采用双级固溶处理的比采用单级固溶处理的必然具有更优越的力学性能。

图7所示为2种热处理条件下试样的断口形貌 ^[9] 。图7(a)所示的断口形貌为蜂窝形, 韧窝周边形成塑性变形程度较大的突起撕裂棱, 这与合金内存在大量的第2相粒子有关; 而第2相粒子在拉伸变形时易形成裂纹源, 可导致性能下降。而图7(b)所示的断口为穿晶韧性断裂, 其晶粒尺寸为2～5 μm, 可看到未脱落的颗粒和圆形蜂窝; 由于第二相颗粒溶解效果好, 导致裂纹源减少, 保证了强度的提高。 2种不同的断裂形貌也证实合金的强度必然不同。