简介概要

喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的组织与性能

来源期刊：中国有色金属学报2001年第2期

论文作者：韦强熊柏青张永安朱宝宏石力开

文章页码：279 - 283

关键词：喷射成形；沉淀强化； Al-Zn合金

Key words：spray forming; precipitation hardening; Al-Zn alloy

摘要：利用喷射成形工艺制备了Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金材料，研究了热挤压工艺与热处理工艺对材料微观组织与力学性能的影响。在峰时效的情况下材料表现出了高的力学性能指标，抗拉强度达到754 MPa，屈服强度达到722 MPa，断裂延伸率达到8%，与采用传统铸造变形工艺制备的同类合金相比(σ_b≥610 MPa， σ_0.2≥580 MPa，σ≥4%), 性能有了明显的提高。合金性能的提高与其基体中呈弥散分布的Mg₇Zn₃相有很大的关系，合金的主要强化机制是沉淀强化。

Abstract: High strength Al-Zn-Mg-Cu alloys were produced by spray forming process. The microstructure and mechanical properties of the extruded products in the T6 and T71 conditions were evaluated. Under peak-aged conditions the products exhibit high levels of performance, with tensile strength up to 754 MPa, yield strength to 722 MPa, elongation of 8%, having great improvement compared to the same alloy produced by conventional casting process. The increase in strength is associated with the high volume fraction of Mg₇Zn₃ precipitates. The main hardening mechanism of this alloy is precipitation hardening.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.02.025

喷射成形Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的组织与性能

韦强熊柏青张永安朱宝宏石力开

北京有色金属研究总院!北京100088

摘要：

利用喷射成形工艺制备了Al Zn Mg Cu系高强铝合金材料 , 研究了热挤压工艺与热处理工艺对材料微观组织与力学性能的影响。在峰时效的情况下材料表现出了高的力学性能指标 , 抗拉强度达到 75 4MPa , 屈服强度达到 72 2MPa , 断裂延伸率达到 8% , 与采用传统铸造变形工艺制备的同类合金相比 (σb≥ 6 10MPa, σ0 .2 ≥ 5 80MPa , δ≥ 4% ) , 性能有了明显的提高。合金性能的提高与其基体中呈弥散分布的Mg7Zn3 相有很大的关系 , 合金的主要强化机制是沉淀强化

关键词：

喷射成形;沉淀强化;AlZn合金;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2000-05-22

基金：国家“八六三”资助项目;

Structure and property of high strength Al-Zn-Mg-Cu alloy by spray forming

Abstract：

High strength Al Zn Mg Cu alloys were produced by spray forming process. The microstructure and mechanical properties of the extruded products in the T6 and T71 conditions were evaluated. Under peak aged conditions the products exhibit high levels of performance, with tensile strength up to 754 MPa, yield strength to 722 MPa, elongation of 8%, having great improvement compared to the same alloy produced by conventional casting process. The increase in strength is associated with the high volume fraction of Mg 7Zn 3 precipitates. The main hardening mechanism of this alloy is precipitation hardening. [

Keyword：

spray forming; precipitation hardening; Al Zn alloy;

Received： 2000-05-22

随着航空、航天及交通运输工业的发展, 对高性能铝合金的需求日益迫切。Al-Zn系合金具有强度高、比重轻、良好的加工性能等优点, 目前已在许多领域获得应用 ^[1,2] , 如7075, 7175, 7475合金等。Al-Zn系合金为典型的时效强化合金, 其常用热处理工艺包括:1) T6 (460℃固溶处理+120℃×24h) , 该工艺虽提高了合金的强度, 但降低了合金的抗应力腐蚀性能 ^[3] ;2) T73 (460℃固溶处理+120℃×24h+160℃×12h) , 该工艺提高了合金的抗应力腐蚀性能, 但强度较T6工艺有明显的下降 ^[4] ;3) T77 (460℃固溶处理+120℃×24 h+200℃×10min+160℃×12h) , 该工艺能使合金强度及抗应力腐蚀性能均有明显的提高 ^[5] 。由于AlZn系合金结晶范围宽、比重差异大, 当利用铸造工艺生产高Zn含量的Al-Zn系合金时, 材料的晶粒粗大, 有明显的宏观偏析, 易对材料性能造成不利影响, 而喷射成形技术 ^[6,7] 由于使材料获得了高的冷却速率 (≥10³℃/s) , 从而细化了晶粒、减少了偏析、提高了合金元素的固溶度, 因此能够显著提高材料的性能, 如强度、塑性等 ^[8,9,10,11] 。

由于喷射成形工艺在制备合金坯件过程中冷却速率远高于传统铸造工艺, 使得沉积态材料中各个合金元素的过饱和度与铸态材料相比有很大的区别。本实验的目的是通过研究喷射成形Al-Zn-MgCu系合金的组织演变, 探索适合于喷射成形AlZn-Mg-Cu系高强铝合金材料的热处理工艺, 以达到充分提高材料使用性能的目的

1 实验

实验所用合金的化学成分为Al-8.6Zn-2.6Mg-2.2Cu, 喷射成形实验在北京有色金属研究总院自行研制的SF-200喷射成形设备上完成。采用双层非限制式气流雾化喷嘴, 雾化气体为氮气, 斜喷角20゜～30゜, 偏心距20～45 mm, 沉积距离400～500mm, 雾化温度800～850℃, 熔体质量流率2～3kg/min, 雾化气体压力为0.5 MPa和0.6 MPa。将得到的沉积圆锭机加工后利用800 t热挤压机将其挤压成d34mm和d15 mm的棒坯, 挤压比分别为14∶1和28∶1, 随后进行淬火实验, 淬火温度为450, 460, 470, 480℃, 挤压棒坯按T6和T71热处理工艺时效处理 (T6:120℃× (0, 3, 6, 9, 12, 18, 24, 30h) ;T71:120℃× (0, 3, 6, 9, 12, 18, 24, 30h) +165℃×1h) 。

组织和断口分析分别在NEOPHOT-2型光学显微镜、CAMBRIDGE-2型扫描电镜、PHILIPS X射线衍射仪、HT-800透射电镜上完成, 透射电镜样品取自挤压棒坯的横截面。拉伸试验在MTS810力学性能试验机上进行, 硬度测试在HG9-45型硬度测试仪上完成。

2 结果与讨论

2.1 沉积态组织观察

从沉积态合金的金相照片 (见图1) 可以看到材料的晶粒细小尺寸均匀随着雾化压力的增加晶粒尺寸减小 (d_{0.5 MPa} 5μm, d_{0.6 MPa} 3μm) , 但孔隙率增加。XRD分析 (见图2) 表明沉积态组织由α (Al) , CuAl₂及Mg₂Zn₃组成, 冷却速率对沉积态组织的相组成无明显的影响。从图3可以看到脱溶颗粒被浸蚀掉后在基体中留下的孔洞。

图1 沉积态合金的金相组织

Fig.1 Microstructures of as-deposited alloy

(a) —With pressure of 0.5 MPa; (b) —With pressure of 0.6 MPa

2.2 挤压态组织

经热挤压致密化后基本消除了沉积坯件中的孔洞, 获得了致密的组织。SEM实验结果表明此时基体中有大量直径1μm左右、形状规则的第二相颗粒存在 (见图4中白点) 。XRD分析 (见图5) 表明挤压态组织由α (Al) , Mg₂Zn₃组成。这表明在加热及形变过程中CuAl₂发生分解, 溶解到Al基体中。力学性能测试结果 (见表1) 表明随着挤压比的增加材料的力学性能指标提高。从图6可以看到挤压比为14∶1的样品断口有明显的微裂纹存在, 这是由于沉积态坯件中的气孔没有充分焊合而形成的缺陷。微裂纹的存在严重降低了材料的性能。

图2 沉积态合金的X射线衍射谱

Fig.2 X-ray spectrum of as-deposited alloy

图3 沉积态合金的SEM照片

Fig.3 SEM of as-deposited alloy

图4 挤压态合金SEM照片

Fig.4 SEM of extruded alloy

2.3 淬火温度对材料组织与性能的影响

从表2可以看到材料经固溶处理后力学性能有明显的提高在固溶强化效果最明显XRD分析 (见图7) 表明此时的相组成以α (Al) 固溶体为主。

2.4 T71热处理后的显微组织

从时效6h后材料组织明场像 (图8 (a) ) 可以看到在晶粒内部及晶界处弥散分布着棒状和不规则形状的化合物颗粒, 能谱分析表明大多数沉淀相为富Zn, Mg的多元化合物, 但具体组成还无法确定。从图8 (b) 可以看到t时rea效te1d8 ahllo后y在晶粒内部弥散分布的直径约100 nm的沉淀相颗粒, XRD分析 (见图9) 表明其相组成为Mg₇Zn₃。从图8 (c) 可以看到时效30h后沉淀相颗粒已经长大到600 nm左右, 且沿晶界形成网络状分布。

表2 经过不同温度淬火后合金的室温拉伸性能 Table 2 Tensile property of alloy at different quenching temperatures

图5 挤压态合金的X射线衍射谱

Fig.5 X-ray spectrum of extruded alloy

图6 挤压态合金拉伸断口SEM形貌

Fig.6 SEM of extruded alloy fracture

表1 挤压态合金棒坯室温拉伸性能 Table 1 Tensile property of extruded alloys

图7 经固溶处理后合金的X射线衍射谱

Fig.7 X-ray spectrum of solid solution

2.5 材料的力学性能

图10所示为T6和T71热处理后材料维氏硬度的测试结果, 从中可以看到材料的硬度随着时效时间的延长, 呈上升的趋势, 且T71热处理后材料的硬度值高于T6热处理态。

根据材料硬度的测试结果, 选取T71热处理18h, T6热处理18h和挤压态 (挤压比28∶1) 、铸态 (铸造+热变形加工+热处理) 共4个状态的样品进行拉伸试验, 测试结果如表3。喷射成形坯件经热挤压和T6热处理后, 抗拉强度可达到740MPa, 屈服强度达到710MPa, 断裂延伸率为10%;经热挤压和T71热处理后材料的抗拉强度达到754 MPa, 屈服强度超过断裂延伸率为均明显高于采用传统铸造+热变形加工+热处理工艺生产的同类合金材料的力学性能指标。图11为T71时效18 h合金室温拉伸断口的扫描电镜照片, 从照片可以看到, 拉伸断口为韧性沿晶断裂。

图8 时效组织的TEM明场像

Fig.8 TEM of aged microstructures

(a) —Aged for 6 h; (b) —Aged for 18 h; (c) —Aged for 30 h

图9 经过时效后合金的X射线衍射谱

Fig.9 X-ray spectrum of aged microstructure

图1 0 硬度测试图

Fig.10 Hardness curves