高Zn超高强铝合金的回归再时效处理

张 坤,刘志义,郑青春,许晓嫦,叶呈武

(中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙,410083)

摘要: 研究了不同回归再时效(RRA)制度对高Zn超高强铝合金的力学性能和微观组织的影响。研究结果表明:采用120 ℃×4 h预时效+回归30 min+120 ℃×24 h时效RRA处理时,可以使合金保持较高的强度,达到740~750 MPa,与T6态合金相比,其强度仅下降5%,晶内析出组织与T6态合金的组织基本相似,而晶界析出相聚集、粗化,与过时效相似;随着回归时间延长,合金的强度逐渐下降,而延伸率略有提高;采用较高的时效温度130 ℃进行RRA处理时,虽然合金强度仍然能够保持在700 MPa以上,但是Ag的加入促进了较高温度下晶内粗大平衡相的析出,极大地降低了合金的塑性。
关键词: RRA处理; 铝合金; 晶内析出相; 晶界析出相
中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)02-0188-05

Effects of Different Retrogression and Reaging Heat Treatment on High-zinc Super-high Aluminum Alloy

ZHANG Kun, LIU Zhi-yi, ZHENG Qing-chun, XU Xiao-chang, YE Cheng-wu

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The influence of different retrogression and reaging(RRA) heat treatments on the microstructure and mechanical properties of the high-zinc super-high strength aluminum alloy was discussed. The results show that the alloy maintains high tensile strength of about 740-750 MPa after the RRA heat treatment of 120 ℃×4 h pre-ageing+retrogressed for 30 min+120 ℃×24 h re-ageing. The intracrystalline microstructure is similar to that of T6 temper and the grain boundary precipitate is similar to that of over-aged condition. With the retrogression time prolonged, the tensile strength of the alloy gradually decreases while the elongation ratio slightly increases. When ageing at a higher temperature of 130 ℃, the alloy after RRA treatment can obtain high tensile strength above 700 MPa, but the plasticity of the alloy decreases significantly due to the effect of small addition of silver which promotes the precipitation of coarse equilibrium phase.
Key words: retrogression and reaging treatment; aluminum alloy; matrix precipitate; grain boundary precipitate
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   时效硬化型7000系合金作为强度最高的常规铝合金在航空工业上得到了广泛应用,但该系合金抗应力腐蚀能力不强,尤其在峰值时效T6态时,应力腐蚀开裂倾向明显。采用双级过时效处理虽然可以提高抗应力腐蚀性能,但其强度要下降10%~15%^[1]。为此,开发新型热处理制度使其获得良好的综合性能成为国内外近年来研究的热点,其中短时回归再时效,即RRA处理(也称T77处理)^[2-6]在7150合金^[3,4],7055合金^[4,5]方面的应用已取得良好效果,其处理方法主要由预时效处理、高温短时回归处理和低温再时效处理三级时效过程组成。处理后的晶内组织为GP区和弥散的半共格相,晶界组织为过时效状态,这样就使强度和抗应力腐蚀性能良好结合。对于预时效处理,人们对采用T6态或者稍欠时效态尚有争议,另外,国内、外对合金化程度更高的超高强铝合金的RRA处理尚无相关报道。在此,作者针对高Zn超高强铝合金,采用不同的RRA热处理工艺,探讨不同预时效状态、时效温度及回归时间对合金微观组织和力学性能的影响,为高Zn超高强铝合金的热处理优化设计提供基础。

1 实验方法

合金铸锭由东北大学低频电磁半连续铸造实验室提供,合金成分为Al-10.4%Zn-2.2%Cu-2.4%Mg-0.1%~0.15%Zr-0.224%Ag(质量分数)。铸锭经430 ℃/6 h+455 ℃/16 h两级均匀化后热挤压成直径为12 mm的圆棒,挤压比为17.5。对挤压棒材进行450 ℃/2 h+470 ℃/1 h强化固溶,水淬后采用单级时效和回归再时效。单级时效分别在120 ℃和130 ℃进行。回归再时效中关键因素是第1级预时效状态和第2级的回归温度和回归时间。由于高温回归不适用于工业应用,因此,本次实验的回归温度选用180 ℃,具体工艺制度如表1所示。

表 1   RRA各级时效处理工艺参数

拉伸力学性能实验在CSS-44100万能电子拉伸机上进行。电镜薄膜样品采用电解双喷减薄,电解液为30%硝酸和70%甲醇(体积分数),双喷电压为12~15 V,电流为70~90 mA,温度控制在-20 ℃以下。透射电镜观察在JEM-2000EX透射电镜上进行。

2 实验结果

2.1 力学性能

图1所示为合金分别在120 ℃和130 ℃进行单级时效的室温拉伸性能曲线。可以看出,130 ℃时效硬化速度较快,时效1 h合金的抗拉强度达到760 MPa左右,2条曲线的2个强度峰值均出现在4 h和24 h左右。

图 1   实验合金力学性能
Fig. 1   Mechanical properties for alloys on different ageing temperatures

不同RRA处理制度下合金力学性能如表2所示。可见:当预时效时间相同时,随回归时间的延长,经RRA处理后的合金的抗拉强度逐渐降低。与单级时效相比,合金的塑性显著下降。时效温度为120 ℃时,虽然单级时效4 h和24 h的合金强度相当,但经过RRA处理后,只有预时效时间为4 h的合金的强度与单级时效合金的接近,回归30 min后合金的抗拉强度σ_b虽略有下降,但仍可保持在750 MPa左右,塑性与单级时效相比也较差,而采用欠时效和T6态(1 h,24 h)处理时,合金的强度下降15%以上。时效温度为130 ℃时,采用相同的预时效时间时,经RRA处理后的合金强度明显高于120 ℃时效时的强度,但塑性很差,延伸率δ接近于零,几乎完全脆断。当回归时间为30 min时,预时效采用欠时效态的RRA处理也可使合金的抗拉强度达到约700 MPa,采用峰值时效时,其强度与T6态的相比,仅下降约20 MPa,但塑性很差,延伸率只有2.2%。

2.2 微观组织观察

图2所示为采用120 ℃,4 h预时效的合金经不同RRA处理各阶段的TEM照片。于120 ℃预时效4 h后,晶内析出相非常细小弥散,晶界析出物也为较小的平衡相η。回归再时效后,晶内析出相重新析出并长大,晶界析出物则出现明显的过时效特征,粗大并孤立分布。比较图2(b)和图2(c)还可以看出,回归时间越长,晶内及晶界析出相粗化越明显,并且晶内析出相的间距增大,弥散度减小。

图3所示为120 ℃预时效1 h+回归30 min+120 ℃再时效24 h的RRA处理各阶段合金微观组织的TEM形貌。可以看出,与120 ℃预时效1 h的试样相比(见图3(a)),高温回归30 min后,晶内析出物明显长大,晶界的连续链状析出物也开始聚集粗化,初步具有孤立分布的特征。在随后的再时效过程中,晶界析出物的长大和孤立分布特征更加明显,而晶内析出相的大小没有发生很明显的变化。但是,与预时效4 h,回归时间30 min的RRA处理相比,晶内析出相的数量较少,粒子间距较大。

图 2   RRA处理各阶段合金TEM照片
Fig. 2   TEM images of alloys at different stages of RRA heat treatment

 
图 3   120 ℃/1 h预时效的RRA处理的各阶段合金TEM照片
Fig. 3   TEM images of alloys at different stages of RRA heat treatment

图 4   预时效采用130 ℃,24 h的RRA处理各阶段合金组织TEM照片
Fig. 4   TEM images of alloys at different stages of RRA heat treatment

130 ℃预时效后RRA处理各阶段合金组织TEM形貌如图4所示。可见,回归30 min后,晶内析出相没有发生明显变化,可能只有少量GP区发生了回溶,而过渡相基本没有长大。再时效后,合金晶内组织与T6态的相似,而晶界析出相孤立分布特征明显,无沉淀析出带(PFZ)明显加宽。

3 分析与讨论

RRA处理实质上是一种三级时效处理工艺,其关键步骤为第2步即短时高温处理。在第2级高温时效时,晶内的GP区及细小的η′相溶解。一般认为,7000系合金GP区的回溶温度在135 ℃左右^[7];也有研究者认为,其完全回溶温度在180 ℃到200 ℃之间^[8]。在本实验采用的180℃回归温度下,可能只发生部分晶内回溶。同时,由于在合金的晶界区域,原子偏离平衡位置,自由能较高,析出相成核的自由能障碍小,溶质偏析浓度高,成核速度快,无论在大角度晶界还是小角度晶界上,析出相成核后迅速长大,且在此阶段已经形成较稳定的η′和η相,在高温下不会回溶,还会向更稳定的方向发展,即析出物的尺寸加大,并开始聚集,彼此失去联系,进入严重的过时效状态,晶界组织变成类似T73状态的组织;再进行三级时效时,晶粒内部再次析出弥散质点,而晶界变化很小。因此,经过完整的RRA处理后,晶粒内部形成了如同时效到峰值强度(T6状态)的组织,而晶界形成类似软化时效(T73状态)后的组织。

从表2可以看出,采用常规120 ℃ 时效时,随着回归时间的延长,合金的强度下降,延伸率先降低而后逐渐提高。而采用较高温度130 ℃ 时效时,强度变化规律与120 ℃时效时的相同,但是合金的塑性很差,几乎完全脆断。强度的变化机理是:时效析出的过程是一个扩散型转变,在高温回归时,温度越高,晶界与晶内的溶质原子与空位的扩散速度越快,达到最佳回归状态所需的时间也就越短。本试验在180 ℃回归,可能在很短的时间内回归就已经完成,随后则是过度回归。回归过度时,虽可使晶界充分进入过时效阶段,但晶内相回溶后重新析出尺寸较大的η′和η相,成为过时效组织,合金强度会大幅度降低^[9,10]。这是由于在随后的最终时效过程中,高温回归使淬火过饱和空位数量减少,晶内重新析出的强化相数量较回归前减少,同时部分较大的过度相转变为平衡相,降低了最终时效后晶内析出相的弥散度。由图3(b)和3(c)也可看出,回归45 min后再时效的晶内析出相与回归30 min的相比,析出相明显长大,且间距增加,这也证实了上述的讨论。采用常规120 ℃时效时,延伸率开始降低后又增加,可能是晶界强度降低所致,或者说是PFZ内溶质原子数量减少所致。因为RRA处理后,基体中出现更多的η′和η相,从而使变形时位错线由“切割”变成“绕过”第2相粒子,变形均匀。随着回归时间的延长,晶界析出相迅速聚集长大,并成孤立分布,同时,PFZ逐渐变宽且溶质原子浓度降低,使晶界处的应力集中得到部分松弛,因此,合金的塑性变好,延伸率提高。

当时效温度选用较高温度130 ℃时,其强度变化规律和机理与上相同,但塑性很差,并且随着回归时间的延长,延伸率急剧下降。从表2可以看出,预时效采用峰值时效时,经过30 min高温回归后的RRA处理,其抗拉强度下降很少,达到760 MPa左右。TEM观察结果也表明,晶内析出相与T6态相当,而晶界析出物粗大孤立分布,PFZ较宽。这种组织的结合对提高抗应力腐蚀性能是极其有利的,并且还能够保持很高的强度。从理论上来说,这基本达到了RRA处理的目的。但是,无论预时效采用欠时效或峰值时效状态,经RRA处理后合金的晶内均出现了大片状或杆状相,这说明较高温度的RRA处理会促进晶内粗大(50~100 nm)平衡相的形成,因而使合金的塑性急剧下降。粗大平衡相的形成可能与Ag的加入有关。M.KANNO^[11]指出RRA处理适用于7050合金和7150合金,但不适用于含Cr7075合金,因为含Cr合金的晶内存在大量以E(Al₁₈Cr₂Mg₃)相为形核核心的平衡相η,会促进时效时的不均匀析出,对合金强度不利。对于加Ag的2000系铝合金^[12,13],非共格析出相Mg₃Ag的析出引起它与基体界面能的增大,这样,在采用较高温度时效时,非共格析出相η较低温时效时更容易在Mg₃Ag/α的错配界面析出。由于Mg₃Ag的析出不均匀导致η在晶内不均匀分布,因而降低了合金的塑性。与2000系铝合金相比,在7000系合金中加入微量Ag时,首先形成Zn-Mg-Ag共聚原子团^[14],这样,在较高温度时效时,以这些共聚原子团为形核核心的析出相容易发生不均匀析出,并在随后的再时效中转化为较粗大的平衡相,使合金的塑性变差。因此,对于本实验合金,需根据合金的性能要求进行较高温RRA处理。

对于本实验合金,采用常规120 ℃时效时,预时效选用稍欠时效态(4 h),其力学性能最佳,抗拉强度仅下降5%左右,而采用1 h和24 h预时效时,合金强度都大大降低。这与预时效晶内析出相的类型和大小有关。时效1 h时,晶内析出相主要由GP区组成,晶界析出为尺寸较小的η平衡相,呈连续链状析出;高温回归时,GP区基本全部回溶,大量η′'形核析出,晶界平衡相开始聚集、粗化(见图3(b)),无沉淀带加宽。在随后的第3级时效中,晶内析出相仍然按照 SSS→GP区→η′(过渡相)→η(平衡相)析出。由于高温时效降低了过饱和淬火空位的密度,使得晶内再次析出的强化相数量减少,而高温回归保留下来的析出相长大、粗化,出现了一些较大的片状组织,并且分布不够弥散均匀(见3(c)),降低了时效强化效果。晶界析出的平衡相继续粗化,呈点状孤立分布,为明显的过时效状态。当预时效采用稍欠时效(4 h)时,晶界析出相的变化规律基本相同。但晶内析出相为GP区和η′,在高温回归时,只有GP区和部分细小的η′发生回溶,其余的η′将持续长大。在较低温度时效时,因回归处理而回溶到基体中的溶质原子再次析出,产生细小的GP区或η′相,而那些在回归时只发生部分溶解和长大的η′则变化不大,最终晶内的析出相由细小的GP区和η′相、较大的η′相以及很少量的η组成(见图2)。正是这些大小、类型不同的析出相使试样得以保持较高的强度。预时效采用24 h时,η′是主要的强化相,可能在回归处理后η′比较粗大或部分转变为平衡相,因而强度下降很多。因此,对于时效硬化响应很快的高Zn超高强铝合金,常规的T6 态预时效制度并不适用。

4 结 论

a. 采用120 ℃×4 h预时效+回归30 min+120 ℃×24 h时效的RRA处理工艺,可以使合金获得理想的力学性能和抗应力腐蚀性能。强度达到740~750 MPa,与T6态的相比,仅下降5%,晶内析出组织与T6态的基本相当,而晶界析出相聚集、粗化,与过时效的相当。随着回归时间延长,合金的强度逐渐下降,而延伸率略有提高。

b. 采用较高的130 ℃时效温度进行RRA处理,可以使合金的抗拉强度保持在700 MPa以上,尤其当预时效选用峰值时效态时,抗拉强度达到760 MPa左右,与T6态相比,强度仅略有下降。但是,由于Ag的加入促进了晶内粗大平衡相的析出,极大地降低了合金的塑性,因而应根据合金的性能要求选择适当的处理工艺。

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收稿日期:2004-11-23

基金项目:国家“863”高技术计划项目 (2001AA332030)

作者简介:张 坤(1976-),女,湖北来凤人,硕士,从事铝合金强韧化的研究

论文联系人: 张 坤,女,硕士;电话:0731-8836011(O); E-mail:zhk76x@sina.com