稀有金属 2012,36(04),523-528
固溶时效处理对Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金组织性能的影响
刚建伟 韩小磊 李志辉 朱宝宏 张永安
东北轻合金有限责任公司
北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室
摘 要：
采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、硬度测试、电导率测试和室温拉伸性能测试等分析手段,研究了Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金挤压板带固溶、单级时效和双级时效制度下的组织和性能。研究表明,Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金挤压板带采用475℃/2 h的固溶处理制度,析出相回溶充分,无过烧现象;合金采用475℃/2 h+120℃/24 h的T6时效处理制度,晶内析出相细小弥散,晶界析出相连续分布;合金采用475℃/2 h+110℃/8 h+160℃/28 h的T74双级固溶时效处理制度,晶内析出相以η'和η为主,晶界析出物完全断开。
关键词：
Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr铝合金 ;力学性能 ;微观组织 ;固溶处理 ;时效处理 ;
中图分类号： TG156.94
作者简介： 刚建伟(1967-),男,黑龙江哈尔滨人,学士,高级工程师;研究方向:有色金属加工与热处理(E-mail:gangjianwei888@163.com);
收稿日期： 2012-04-12
基金： 国家“973”计划项目课题(2012CB619504)资助; 国家自然科学基金项目资助(50904010); 国际科技合作项目资助(2010DFB5034);
Solution and Aging Treatment of Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr Aluminum Alloy
Abstract：
The microstructure and properties of Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr alloy extruded plates in solution,single-aging,two-step aging condition were studied by means of OM,SEM,TEM,XRD,hardness measurement test,electrical conductivity test and tensile test.The results showed that 475 ℃/2 h was appropriate solution treatment for the Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr alloy extruded plate.By this solution,precipitated phase dissolves adequately with no overheat appearing.By T6 solution and aging treatment of 475 ℃/2 h+120 ℃/24 h,the precipitates in the matrix of the alloy are fine and disperse,and the precipitates on the grain boundary distribute continuously.By T74 two-step solution and aging treatment of 475 ℃/2 h+110 ℃/8 h+160 ℃/28 h,most matrix precipitates are η′ and η,and the precipitates on the grain boundary disconnect completely.
Keyword：
Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr aluminum alloy;mechanical property;microstructure;solution treatment;aging treatment;
Received： 2012-04-12
高强铝合金预拉伸厚板是以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类铝合金材料, 长期以来被广泛用于各种飞机机身、 机翼梁、 机舱壁板和火箭中高强度结构零件等的制造, 是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料
[1 ,2 ,3 ,4 ]
。 Al-Zn-Mg-Cu系合金是一种典型的可热处理强化铝合金
[5 ]
, 热处理工艺是使该合金具有最佳的综合性能或满足某些结构材料所必需特性的关键工艺环节。 Al-Zn-Mg-Cu系合金的强韧化热处理主要由固溶处理及时效工艺组成。 为了尽可能地提高强化固溶的温度, 最大程度地减少残余结晶相颗粒, 近来发展了多级强化固溶的热处理工艺
[6 ,7 ]
。 其通过逐步升温固溶处理可使最终固溶温度超过多相共晶温度而不产生过烧组织, 从而提高残余可溶结晶相的固溶程度和合金力学性能
[8 ,9 ]
。 7000系铝合金通过T6峰时效处理可以得到最大强化效果, 但抗应力腐蚀性能较差
[10 ,11 ]
。 采用双级时效制度虽然可以提高抗应力腐蚀性能, 但会使合金的强度降低10%～15%
[12 ,13 ]
。 本研究通过改变固溶处理工艺, 系统地研究了固溶处理、 单级时效处理和双级时效处理对Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金显微组织和力学性能的影响, 旨在为制定适用于Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金工业生产的固溶时效热处理工艺提供实验依据。
1 实 验
实验所用合金由高纯Al、 高纯Zn、 高纯Mg、 Al-Cu及Al-Zr中间合金等原料配比熔炼而成。 本实验合金采取双级均匀化制度, 为440 ℃/12 h+475 ℃/24 h, 将圆锭挤压成截面为100 mm×25 mm规格的板带, 挤压比为12.6∶1。 挤压板带分别采用单级固溶制度和双级固溶制度进行固溶处理。 固溶处理结束后, 进行水淬。 固溶处理在SX2-12-10程序控制型箱式电阻炉中进行, 温度控制在设定温度的±2 ℃以内。
采用光学显微镜(Axiocert200MAT)、 扫描电镜(HITACHI S4800)、 透射电镜(JEM-2010型)对合金组织进行观察和分析。 金相和扫描电镜试样用Keller试剂腐蚀, 透射电镜样品采用电解双喷进行减薄, 电解液为硝酸∶甲醇=1∶3, 温度控制在-30～-20 ℃, 电压为15～20 V, 电流为60～80 mA。 X射线衍射物相分析采用Cu Kα射线, 衍射角(2θ )为10°～90°。 采用布氏硬度计进行合金硬度测试, 载荷为62.5 N, 加载时间为20 s。 样品厚度为3 mm, 取自样品的横截面, 每个测试点取5个测量值的平均值。 电导率测试在厦门第二电子仪器厂生产的7501型涡流导电仪测量试样的电导仪上进行, 测试参照GB/T12966-91执行。 电导率样品取自样品的横截面, 面积大于2.5 cm×2.5 cm, 测量前用800# 水磨砂纸磨平试样表面, 除去热处理时形成的氧化膜。 每个测试点取3个测量值的平均值。 室温拉伸实验在MTS-810型试验机上测试合金的室温拉伸性能, 拉伸速度为1 mm·min-1 , 试样的取样方向为L向。
2 结果与讨论
2.1 固溶淬火处理
图1为挤压态合金的金相组织, 可以观察到合金的晶粒沿变形方向被拉长, 可以观察到合金中有一些粗大的第二相分布, 粗大第二相的尺寸在数微米到20 μm之间, 合金中还存在大量细小的第二相, 是合金在均匀化处理和热挤压缓冷过程中从基体里析出的, 由XRD分析可知挤压态合金中主要的析出相为Al2 CuMg和MgZn2 相, 图2所示。
图3为Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金挤压板带固溶处理1 h后的金相组织。 合金在470 ℃和475 ℃进行固溶处理, 没有出现过烧组织。 470 ℃/1 h固溶处理淬火后, 有少量的细小第二相MgZn2 存在, 475 ℃/1 h固溶后, 挤压板带表面细小的第二相MgZn2 基本回溶。 480 ℃/1 h固溶后, 粗大的第二相消失, 但合金出现晶界展宽和复熔球等过烧迹象。 合金出现过烧现象, 晶界会被弱化。 有研究表明, 当合金出现严重过烧时, 合金的拉伸断口形貌会由未过烧时的“穿晶断口”转变为“沿晶断口”, 晶界成为合金的薄弱环节
[14 ]
。 过烧组织对合金的综合性能, 尤其是对断裂韧性有不利影响。 为使合金在避免过烧的情况下, 尽可能地提高固溶度, 选择了475 ℃/2 h的固溶制度。
图1 Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr alloy挤压态合金组织
Fig.1 Microstructure of extruded alloy of Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr (a) O M; (b) SEM
图2 Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金挤压态的X射线衍射图
Fig.2 XRD pattern of extruded Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr alloy
2.2 单级时效处理
图4是合金在120 ℃单级时效的硬度和电导率曲线, 合金120 ℃时效时, 硬度上升速度较快, 28 h合金达到硬度最高值。
图5是合金经单级时效处理后的TEM晶内组织、 晶界组织形貌像和选区电子衍射花样。 120 ℃/1 h时效后, 合金析出细小沉淀物, 分布均匀, 密度较小, 晶界析出相尺寸较小。 120 ℃/24 h时效后, 合金细小析出相的密度显著增加, 析出物的大小略有长大, 尺寸为3～8 nm, 析出物形状以球形为主, 出现少量短棒状析出物。 晶界析出相明显长大, 呈链状分布。 相比120 ℃/24 h时效, 120 ℃/60 h时效后, 晶内析出相略有长大, 尺寸为 5～10 nm, 晶界析出相明显粗化, 尺寸达到50 nm以上。
图5(a), (c), (e)是合金在不同时效状态下的选区电子衍射斑点。 合金120 ℃/1 h时效后, <112>Al 晶带轴的衍射花样中, 在1/3{311}和2/3{311}处出现模糊的GPⅠ区形成的斑点, 在接近1/2{311}的位置出现模糊的斑点, 这些斑点与GPⅡ区已经形成有关。 合金120 ℃/24 h时效后, 在1/3{311}和2/3{311}处出现斑点, 说明晶内析出物中存在GPⅠ区, 而在1/2{311}处, 出现斑点, 说明晶内析出物中存在GPⅡ区, <112>Al 晶带轴的衍射花样中沿{111}方向的1/3{220}和2/3{220}位置出现斑点, 以及在1/3{220}和2/3{220}位置沿{111}方向出现芒线, 这些是与η′相有关的衍射特征。 合金经120 ℃/24 h单级峰时效处理后, 合金的晶内析出相包括GP区和η′相。 合金120 ℃/60 h时效后, 在<112>Al 晶带轴的衍射花样中沿{111}方向的芒线变强, 说明η′相的体积分数增加。
Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金时效初期, 合金的晶内沉淀相以GP区为主, 位错与质点的作用主要是切割机制。 随着时效的进行, 过饱和固溶体不断分解, 促进了沉淀相的析出和长大, 其中还有一部分GP区发生了向η′相的转化, 晶内沉淀相的这些变化使合金的强度迅速上升。 峰值时效时, 合金的晶内沉淀相以GP区和η′相强化为主, 位错和晶内析出相的作用以绕过机制为主。 随着时效过程的进一步深入, 合金的晶内析出相有所粗化, 使析出相的强化作用变小, 但是晶内析出相仍以GP区和η′为主, 未出现大量的稳定相η相, 而沉淀析出相的体积分数在增加, 使沉淀相的强化效果变大, 两个效应相互抵消, 使合金在120 ℃长时间时效后, 硬度和强度相比峰时效没有出现明显的下降, 合金的抗过时效能力强。
图3 合金经固溶处理后的金相组织
Fig.3 Metallography of alloy after solution treatment (a) 470 ℃,1 h; (b) 475 ℃, 1 h; (c) 475 ℃, 2 h; (d) 480 ℃, 1 h
图4 合金在120 ℃单级时效的硬度和电导率曲线
Fig.4 Hardness and conductivity curves of alloy after 120 ℃ single-aging treatment
合金在120 ℃时效24 h, 抗拉强度达到最大, 为625 MPa, 此时合金的屈服强度为560 MPa, 伸长率为14.0%, 电导率为17.7 MS·m-1 。
2.3 双级时效处理
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的双级时效包括两个过程: 第一级是低温预时效, 其作用是在合金基体中形成大量稳定的GP区, 作为第二级时效析出相的核心; 第二级是高温时效, 能在高温时效温度下稳定存在的GP区优先成核转化为η′相。 在晶内形成均匀分布的盘状的η′相, 在大角度晶界上形成粗大的η相。 经双级过时效处理, 合金的强度下降, 但合金的抗应力腐蚀性能可以得到明显的改善。 由于双级时效能够明显加速沉淀析出过程, 采用双级时效可以使合金在较短时间内达到所需的强度。
图6为合金经双级时效110 ℃/8 h+160 ℃/x h的抗拉强度和电导率曲线。 合金的抗拉强度在第二级时效6 h时达到最大, 此时抗拉强度、 屈服强度、 伸长率和电导率分别为625 MPa, 595 MPa, 11.5%和19.2 MS·m-1 。 相比120 ℃/24 h单级峰时效处理制度, 110 ℃/8 h+160 ℃/6 h双级时效制度抗拉强度基本相当, 屈服强度较高, 延伸率明显下降, 电导率提高1.6 MS·m-1 。 电导率是合金抗应力腐蚀性能的间接判据, 一般来说, 合金的电导率越高, 抗应力腐蚀性能越好
[15 ]
。 双级时效处理的合金具有比单级峰时效处理的合金更好的抗应力腐蚀性能。 合金经过110 ℃/8 h+160 ℃/28 h时效后, 抗拉强度为595 MPa, 屈服强度为565 MPa, 延伸率为12.5%, 电导率20.9 MS·m-1 , 相比120 ℃/24 h单级峰时效处理, 抗拉强度下降30 MPa电导率提高3.2 MS·m-1 。
图5 合金经单级时效处理后的析出相
Fig.5 Precipitates of alloy after single-aging treatment (a), (b)120 ℃, 1 h; (c), (d) 120 ℃, 24 h; (e), (f) 120 ℃, 60 h
图7为合金经双级时效处理后析出相的TEM。 合金110 ℃/8 h+160 ℃/2 h时效后, 晶内析出相相比单级峰时效制度略有粗大, 但粗化不明显, 合金这样的晶内析出相组织使合金的抗拉强度仍能保持在与单级峰时效制度同一水平上。 此状态下合金的晶界析出物和单级峰时效制度相同, 为链状分布。 合金经110 ℃/8 h+160 ℃/28 h后, 晶内析出相明显长大, 尺寸在20 nm左右, 晶界析出物粗大、 尺寸在50～100 nm之间, 呈不连续分布, 晶界析出相间距为50 nm左右, 此种晶界析出相的形态有利于提高合金的抗应力腐蚀性能。 合金的晶界无析出带相的宽度为40～50 nm, 与120 ℃/8 h+160 ℃/2 h晶界无析出带的宽度相比无明显变化。 在合金的<112>Al 晶带轴的衍射花样中, 1/3{220}和2/3{220}处有衍射斑点存在, 说明合金中有η′存在, 同时在1/3{220}处的内侧出现一列模糊斑点, 这些斑点与稳定相η的衍射有关
[16 ]
。 此状态下合金的晶内析出相主要类型为η′和η相。
3 结 论
1. Al-6.6Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金挤压板带采用475 ℃/2 h的固溶处理制度, 析出相固溶充分, 无过烧现象。
2. 合金采用120 ℃/24 h的单级时效制度, 晶内析出相细小弥散, 晶界析出相连续分布, 此制度可以作为合金的T6时效制度。
3. 110 ℃/8 h+160 ℃/28 h双级时效后, 晶内沉淀析出相以η′和η为主, 晶界析出物完全断开, 此制度可以作为合金的T74双级时效制度。
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