文章编号: 1004-0609(2006)06-0958-06

双级时效对7050铝合金组织和性能的影响

田福泉, 崔建忠

(东北大学 EPM重点实验室, 沈阳 110004)

摘 要: 采用力学性能和电导率测试及透射电镜组织观察的方法, 研究了7050合金挤压带板的单级时效、 双级时效及两级时效之间处理条件对合金组织和性能的影响。 结果表明: 7050合金在120℃时效有很高的抗过时效能力, 抗拉强度超过619MPa, 但电导率较低仅为32.3%IACS; 采用第二级时效温度为165℃的双级时效, 合金可获得强度为551MPa和电导率为40.6%IACS的配合; 双级时效过程的两级时效之间处理条件对合金的强度有明显的影响, 间断时效和第一级时效后快冷有利于提高合金的强度; 经过第一级时效后空冷再进行165℃、 16h时效, 合金的强度和电导率分别为559MPa和40.2%IACS。

关键词: 7050铝合金; 双级时效; 挤压带板; 电导率; 析出相 中图分类号: TG146.2

文献标识码: A

Effect of duplex aging on microstructure and properties of 7050 aluminium alloy

TIAN Fu-quan, CUI Jian-zhong

(The Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials,

Mnistry of Education, Northeastern University, Shenyang 110006, China)

Abstract: The effects of single aging, duplex aging and conditions between the first and second step agings on the microstructures and properties of the extruded plate of 7050 aluminium alloy were investigated, by means of TEM, tensile and conductivity tests. The results show that 7050 aluminium alloy aged at 120℃ can obtain tensile strength of 619MPa and conductivity of 32.3%IACS, and its overaging at that temperature needs long time. 7050 aluminium alloy after duplex aging with the second-step aging at 165℃ can obtain the combinations of the tensile strength of 551MPa and the conductivity of 40.6%IACS. Obvious effects of the treatment conditions exist between the first and second step agings on the tensile strength of 7050 aluminium alloy during duplex aging. The tensile strength of 7050 aluminium alloy can be increased as stop aging or quick cooling after the first step aging during duplex aging. 7050 alloy can obtain tensile strength of 559MPa and conductivity of 40.2%IACS when it is aged at 165℃ for 16h after air cooling following the first step aging.

Key words: 7050 aluminium alloys; duplex aging; extruded plate; conductivity; precipitates

7050铝合金厚板已大量应用于Boeing777客机以及F/A-18Hornet和F-22Raptor军用飞机^[1], 成为飞机制造业通用的结构材料^[2]。 该合金降低Fe和Si提高了韧性, 以Zr代Cr细化晶粒降低了淬火敏感性保证了大断面产品的性能, 提高了Cu含量使合金具有较好的强度和抗应力腐蚀性能的配合^[3]。 关于7050合金, Gang等^[4]、 Robson^[5]、 Adler等^[6]及Staley^[7]分别对7050合金GP区和η′相的形成、 粗大第二相在加工和固溶处理过程的作用以及时效析出行为进行了深入研究。 Hardwic等^[8]和宋仁国等^[9]探讨了7050合金的氢脆和应力腐蚀行为。 段玉波等^[10]和陆海庆等^[11]分别研究过7050合金厚板的铸造和加工工艺。 郑立静等^[12]还探索了细化7050合金的特殊方法。 为了使7050合金获得更好的强度、 韧性和抗应力腐蚀性能的结合, 国内外进行了大量的RRA处理研究^[13-16], 但这种处理很难在生产中应用。 目前7050合金实用的热处理制度仍为双级时效处理。 己发表的工作通常仅给出第一级和第二级时效的温度和时间范围, 对于第一级时效至第二级时效之间的加热条件未见系统的研究。 因此在相同的两级时效温度和时间的条件下, 由于两级时效之间处理的条件不同, 可能导致最终获得的性能有差异。

本文作者研究7050合金双级时效制度以及两级时效之间处理条件对合金性能的影响, 使其获得较高的强度和电导率的结合。

1 实验

实验用7050合金挤压带板采用电阻炉熔炼, 铸成横断面尺寸为d204mm的半连续铸锭, 均匀化退火后, 切头去尾扒皮, 加热挤压成横断面为102mm×25mm的带板, 其化学成分见表1。 由于挤压带板纵向力学性能受取样位置的影响较大^[17], 因此本研究沿挤压带板长横向截取拉伸性能试样, 按GB6397—86标准加工成圆棒状拉伸试样, 其中d₀=6mm, l₀=5 d₀。 沿挤压带板长横向截取宽度为20mm的试块用于电导率测定。 在拉伸样品端头取金相和透射电镜样品。

表1 实验合金的化学成分分析值

Table 1 Chemical composition of alloy (mass fraction %)

样品在470℃盐浴中固溶处理50min(拉伸样品)和60min(电导率试块), 水淬。 单级时效为120℃时效不同时间。 双级时效制度如下: 第一级时效条件120℃、 6h; 第二级时效条件分别为165℃、 12h, 165℃、 16h, 165℃、 24h, 165℃、 28h。 第一级时效至第二级时效之间的加热条件有4种: 第一级120℃、 6h后水淬或空冷, 室温停放10h再在165℃时效, 为制度A和B; 第一级120℃、 6h后随炉匀速加热2h或10h到165℃时效, 为制度C和D。 字母后所附数字为在165℃时效时间。

时效在烘干箱中进行, 采用TCW-32B型程序控温仪控温。 使用的拉伸试验机、 透射电镜及电导仪的型号分别为CMT5105、 EM-420Philips和Sigmascope SMP10。

2 结果与分析

7050合金挤压带板横向力学性能随120℃单级时效时间的变化如图1所示。 7050合金在120℃时效6h时σ_b=581MPa, δ=14.9%; 时效24h时σb=602MPa, δ=14.5%; 时效68h时σb=618MPa, δ=14.1%。 7050合金在120℃时效6、 24、 36和68h, 其电导率分别为30.6、 31.4、 31.5和32.3%IACS。 可见7050合金在120℃时效直至68h时强度还在升高, 未出现过时效现象, 说明该合金有很高的组织稳定性。 虽然7050合金在121℃时效0.5~4h之内即可出现η′相^[4], 但与7075合金相比它有更高的抗过时效能力。 这与7050合金含有更高的Cu提高了GP区稳定的温度范围有关^[3]。

图1 7050合金力学性能随120℃时效时间的变化

Fig.1 Variations of mechanical properties of 7050 alloy with aging time at 120℃

7050合金经第一级120℃、 6h时效(σb=581MPa, δ=14.9%, 电导率为30.6%IACS)后随炉2h内匀速升温至165℃进行第二级时效, 其力学性能随第二级165℃时效时间变化如图2所示。 可见, 第二级165℃时效12h时, 合金的σb=566MPa, δ=11.7%; 时效28h时, σb=523MPa, δ=12.2%; 时效时间在16~24h之间合金有较好延伸率, δ=12.5%~12.4%。 7050合金经120℃、 6h时效, 然后随炉加热2h至165℃进行第二级时效, 其强度和电导率与第二级165℃时效时间的关系如图3所示。 7050合金的强度随第二级165℃时效时间延长而单调下降, 其电导率单调上升。 美国军用标准规定7050合金T736状态(高强高韧良好抗蚀性相结合的状态)的强度大于506MPa, 电导率在40%IACS~43%IACS范围内^[18]。 由图3可见第二级165℃时效时间超过12h时, 合金的电导率超过美国军用标准7050合金T736状态的最低要求(40%IACS), 合金的强度可达560MPa。 当第二级165℃时效时间达到28h时, 合金的电导率达到42%IACS, 其强度仍为523MPa, 满足美国军用标准要求。 因此选择165℃为第二级时效温度时, 第二级时效时效时间在16~24h之间均可获得较高的强度、 韧性和抗蚀性的结合。

图2 7050合金力学性能随第二级165℃时效时间的变化

Fig.2 Variations of mechanical properties of 7050 alloy with time of second-step aging at 165℃

图3 7050合金的抗拉强度和电导率随第二级165℃时效时间的变化

Fig.3 Variations of tensile strength and conductivity of 7050 alloy with time of second-step aging at 165℃

图4 7050合金单级和双级时效的透射电镜组织

Fig.4 TEM micrographs of 7050 alloy after single and duplex aging

7050合金120℃、 24h单级时效以及120℃、 6h随炉2h内升温至165℃、 12h双级时效的透射电镜组织如图4所示。 可见合金经温度为165℃的第二级时效后基体和晶界析出相明显粗化, 因此合金的电导率明显提高。

7050合金经第一级120℃、 6h时效后以不同的条件加热到165℃进行第二级时效, 其力学和电导率的变化见表2。 将制度A16和B16与制度C16和D16相比较可见, 第一级时效后冷却至室温置放10h再进行165℃的间断双级时效, 合金可获得较高的强度和延伸率。 比较制度C16和D16可见由第一级至第二级时效是随炉加热时, 加热速度缓慢, 合金的强度降低。 为了研究第一级时效后在10h之内匀速加热至第二级时效的热效果的作用, 假设10h的加热的热效果相当于在165℃延长5h的作用, 设计了B21和B29制度, 即第一级时效后空冷, 室温停放10h再将样品放入165℃时效炉中时效21和29h。 将B21和B29制度与D16和D24进行比较。 可见采用B21制度处理的样品比采用D16制度处理样品的强度高, 比较B29和D24制度也有相同的结果。 这说明第一级时效后随炉缓慢加热到第二级时效温度继续时效时, 合金的强度较低不仅与缓慢加热过程延长了时效时间的作用有关, 还与缓慢加热过程中析出相的种类和尺寸分布变化有关。

7050合金在各种条件下双级时效的TEM组织如图5所示。 由图5(a)和(b)可见, 第一级120℃、6h时效后水淬再进行第二级165℃、 16h的基体析出相(5(a))比第一级120℃、 6h时效后水淬再进行第二级165℃、 16h的基体析出相(5(b))更细小。 这证明7050合金经120℃、 6h时效后快冷在室温停放有稳定析出相尺寸的作用, 使之在第二级165℃时效时析出相不易长大。 因为7050合金有较宽的GP存在温度范围^[3], 在第二级165℃时效时很难发生GP的回归。 又因7050合金较易形成η′相^[4], 只要基体中有足够的溶质浓度, 在合适的条件下即可均匀地形成η′相。 第一级120℃、 6h时效后快冷有利于保持基体中溶质的过饱和度, 在随后第二级165℃时效时可形成更多η′相核心, 因此合金析出相的尺寸更细小。 合金随炉缓慢加热时, 不仅发生GP的合并长大, 同时也使基体中溶质的过饱和度降低, 造成η′相形核不均匀, 个别η′相容易长大, 因此随炉缓慢加热到165℃进行时效的样品与第一级120℃、 6h时效后空冷(在室温停放10h)再在165℃时效(并相应地延长时效时间)的样品相比, 前者基体析出相的尺寸略微粗大, 见图5(c)和(d)。

表2 7050合金各种条件的双级时效性能

Table 2 Properties of duplex-aged 7050 alloy under different conditions

图5 7050合金在各种条件下双级时效的TEM组织

Fig.5 TEM micrographs of duplex-aged 7050 alloy under different conditions

3 结论

1) 7050合金在120℃单级时效有很高的抗过时效能力, 时效68h时抗拉强度可达619MPa, 但电导率仅为32.3%IACS。

2) 7050合金经第一级120℃、 6h时效后随炉2h内升温至165℃分别时效16和24h, σ_b 、 δ和电导率分别为551和528MPa、 12.5%和12.4%、 40.6%IACS和41.6%IACS。

3) 7050合金采用双级时效时, 两级时效之间处理条件对合金的强度有明显的影响, 间断时效和第一级时效后快冷有利于提高合金的强度, 第一级时效后空冷再进行165℃、 16h时效合金的强度和电导率分别为559MPa和40.2%IACS。

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收稿日期: 2005-10-17; 修订日期: 2006-01-19

通讯作者: 崔建忠, 教授, 博士; 电话: 024-83681758; E-jzcui@epm.neu.edu.cn

(编辑何学锋)