熱變形溫度和淬火速率對7085鋁合金組織和性能的影響

陳送義，陳康華，彭國勝，梁 信，陳學海

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

熱變形溫度和淬火速率對7085鋁合金組織和性能的影響

陳送義，陳康華，彭國勝，梁 信，陳學海

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

采用力學性能測試、光學顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡，研究熱變形溫度和淬火速率對 7085鋁合金組織和力學性能的影響。結(jié)果表明：隨著熱變形溫度降低，再結(jié)晶體積分數(shù)顯著增加，合金的力學性能先提高后降低；隨著淬火速率的降低，晶界析出相粗化，晶界無沉淀析出帶寬化，合金的力學性能降低。合金熱變形溫度越低，其淬火敏感性越高，這是由于在緩慢冷卻的過程中，再結(jié)晶引起的大角度晶界和非共格的Al3Zr粒子成為MgZn2相的有利形核位置，降低合金的時效強化效應(yīng)。

7085鋁合金；熱變形溫度；淬火速率；力學性能

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金具有高強度、低密度和良好的斷裂韌性及抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。7085鋁合金是Alcoa公司于2002年開發(fā)的具有高淬透性、高強度、高損傷容限的最新一代先進鋁合金。目前，7085-T7452鍛件已成功應(yīng)用于波音787飛機和空客A380飛機的翼梁、起落架等重要承力構(gòu)件[4-5]。

為了提高和改善合金的綜合性能，研究人員從優(yōu)化熱處理工藝和調(diào)控合金元素等方面對 7085鋁合金進行了深入細致的研究。如采用部分重固溶能夠提高合金耐腐蝕性能但降低了強度[6]；加入微合金元素Sc，能夠同時提高合金強度和斷裂韌性[7]；適當提高Mg元素含量同時降低Cu元素含量，在獲得較高強度的同時具有低的淬火敏感性[8-9]。研究表明，熱變形溫度和淬火速率是合金獲得良好綜合性能的關(guān)鍵工藝步驟之一，其中，熱變形溫度影響晶界結(jié)構(gòu)，而淬火速率調(diào)控時效析出相的大小和分布，兩者都能顯著地影響合金性能[10-15]。然而，當前的研究主要集中在單一的研究熱變形溫度或者淬火速率對合金性能的影響，對熱變形溫度和淬火速率的相互關(guān)系，即晶界結(jié)構(gòu)和時效析出相之間的相互關(guān)系，缺乏系統(tǒng)深入的研究和認識。為了提高7085鋁合金的綜合性能，深入研究晶界結(jié)構(gòu)和時效析出相之間的相互關(guān)系是更好的發(fā)展該合金急需解決的問題之一。本文作者通過研究熱變形溫度和淬火速率對 7085鋁合金鍛件的顯微組織和力學性能的影響，為進一步加深對該合金的認識，優(yōu)化工藝提供參考。

1 實驗

采用高純鋁、工業(yè)純鎂、純鋅、Al-49.5Cu合金及Al-4.55Zr 合金等配置 7085鋁合金，其實際成分為Al-7.45Zn-1.55Mg-1.6Cu-0.12Zr。熔煉溫度為 760～800℃。均勻化制度為(450 ℃，24 h)+(470 ℃，38 h)。試樣在5 MN四柱液壓機恒應(yīng)變速率沿高度方向進行等溫自由鍛造，每步應(yīng)變?yōu)?.7，總應(yīng)變約為3.5。變形溫度為370、420和450 ℃。為了獲得均勻組織，合金試樣均取自鍛件的心部。

試樣在循環(huán)空氣爐中固溶，固溶制度為470 ℃、1 h。為了獲得不同的淬火速度，試樣在不同介質(zhì)中淬火冷卻：水冷(淬火速率為 150 ℃/s)，油冷(淬火速率為50 ℃/s)，空冷(淬火速率為1 ℃/s)[12]，隨后進行T6時效(120 ℃、24 h)。

經(jīng)過不同處理的樣品在 Instron3369試驗機上進行力學性能測試。采用JSM-6360LV掃描電鏡觀察試樣拉伸斷口。采用 JEM-2100F透射電鏡觀察試樣的微觀組織。透射電鏡樣品采用電解雙噴減薄的方法制備，電解液為硝酸甲醇溶液，其中，硝酸和甲醇的體積比為3:7，溫度控制在-25 ℃以下。

2 實驗結(jié)果

2.1 力學性能

圖1所示為合金經(jīng)過不同變形溫度和淬火速率的力學性能。從圖1中可以看出，當淬火速率為150 ℃/s，變形溫度從370 ℃提高到420 ℃，合金的抗拉強度和屈服強度分別從512 MPa、475 MPa提高到531 MPa、495 MPa，提高了3.7%、4.2%，伸長率變化不大；變形溫度進一步提高到450 ℃，合金的抗拉強度和屈服強度稍微下降，伸長率仍保持在較高水平。而當淬火速率降低到1 ℃/s、變形溫度從370 ℃提高到420 ℃時，合金的抗拉強度和屈服強度分別從435 MPa、377 MPa增加到503 MPa、430 MPa，提高幅度為15.6%、14.1%，伸長率顯著提高；在同樣速率條件下，變形溫度增加到450 ℃，合金的力學性能基本不變。

圖1 合金不同溫度變形和淬火速率下的力學性能Fig. 1 Mechanical properties of alloy with different deformation temperatures and quench rates: (a) Ultimate strength; (b) Yield strength; (c) Elongation

比較同一變形溫度而不同淬火速率發(fā)現(xiàn)其力學性能也發(fā)生了顯著的變化。當變形溫度為370 ℃、淬火冷卻速率從150 ℃/s降低到1 ℃/s時，合金的抗拉強度降低了15%；而當變形溫度提高到420 ℃和450 ℃時，抗拉強度分別了降低5.45%和2.7%。上述結(jié)果表明，隨著變形溫度的提高，合金的力學性能先提高后降低；隨著淬火速率降低，合金的力學性能降低。變形溫度越低，淬火速率對合金的力學性能影響越大，即淬火敏感性越高。綜合考慮合金的力學性能和淬火敏感性，經(jīng)420 ℃變形的合金的綜合性能最佳。

2.2 斷口形貌

經(jīng)過不同變形溫度和淬火速率試樣的拉伸斷口形貌如圖2所示。對比同一淬火速率而不同變形溫度發(fā)現(xiàn)，當淬火速率為150 ℃/s時，隨著變形溫度的升高，斷口形貌從部分沿晶斷裂向韌窩型斷裂轉(zhuǎn)變；而當淬火速率降低到1 ℃/s時，斷口都為沿晶斷裂。對比同一變形溫度而不同淬火速率發(fā)現(xiàn)，合金的斷口形貌也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。當變形溫度為370 ℃，隨著淬火速率的降低，從韌窩型斷裂和部分沿晶斷裂向沿晶斷裂轉(zhuǎn)變；當變形溫度提高到420～450 ℃時，隨著淬火速率的降低，合金的斷口形貌由以韌窩型斷裂為主向部分沿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

2.3 金相顯微組織

合金經(jīng)過不同溫度變形及室溫水淬的金相顯微組織如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，合金經(jīng)370 ℃變形，發(fā)生明顯的再結(jié)晶，再結(jié)晶體積分數(shù)達到80%以上且僅含有少量的亞晶組織(見圖3(a))；當變形溫度提高到420 ℃時，再結(jié)晶體積分數(shù)顯著減小，主要由細小且均勻分布的亞晶組織組成(見圖 3(b))；當變形溫度提高到450 ℃時，亞晶發(fā)生長大(見圖3(c))。

2.4 透射電鏡顯微組織

圖2 不同變形溫度和淬火速率下合金的斷口形貌Fig. 2 Fractographs of alloy at different deformation temperatures and quench rates: (a) 370 ℃, 150 ℃/s; (b) 370 ℃, 50 ℃/s;(c) 370 ℃, 1 ℃/s; (d) 420 ℃, 150 ℃/s; (e) 420 ℃, 50 ℃/s; (f) 420 ℃, 1 ℃/s; (g) 450 ℃, 150 ℃/s; (h) 450 ℃, 50 ℃/s; (i) 450 ℃,1 ℃/s

圖3 不同變形溫度下合金的金相顯微組織Fig. 3 Optical microstructures of alloys at different deformation temperatures: (a) 370 ℃;(b) 420 ℃; (c) 450 ℃

圖4 不同變形溫度和淬火速率下合金的TEM像Fig. 4 TEM images of alloys at different deformation temperatures and quench rates: (a) 370 ℃, 150 ℃/s; (b) 420 ℃, 150 ℃/s;(c) 370 ℃, 50 ℃/s; (d) 420 ℃, 50 ℃/s; (e) 370 ℃, 1 ℃/s; (f) 420 ℃, 1 ℃/s

圖4所示為試樣在不同變形溫度和淬火速率下的典型透射電鏡顯微組織。從圖4中可以看出，變形溫度從370 ℃提高到420 ℃，當淬火速率為150 ℃/s時，晶界析出相大小和分布相差較小；當淬火速率為1 ℃/s時，晶界析出相尺寸和晶界無沉淀析出帶寬度減小。同時值得注意是，亞晶界較大角度晶界上的析出相尺寸更小，晶界無沉淀析出帶更窄(見圖4(e))。對比淬火速率對時效析出相的影響可以發(fā)現(xiàn)，不管在何種變形溫度條件下，隨著淬火速率的降低，晶界析出相粗化，晶界無沉淀析出帶寬化，晶內(nèi)析出相尺寸稍微增加(見圖4(f))。

3 分析與討論

3.1 變形溫度對合金組織和力學性能的影響

在較低變形溫度情況下，合金形成大體積分數(shù)的再結(jié)晶組織(見圖3(a))。這是由于變形溫度較低，合金單位體積內(nèi)的界面自由能和變形儲能高，這部分能量在固溶處理中成為合金再結(jié)晶的驅(qū)動力，引起晶界遷移，產(chǎn)生大體積分數(shù)再結(jié)晶組織。當變形溫度提高時，變形過程產(chǎn)生的位錯通過攀移和交滑移消失和湮沒，位錯密度顯著降低，單位體積中存在的界面能和變形儲能降低，在隨后的固溶處理中再結(jié)晶體積分數(shù)顯著減少。研究表明[12,16]，再結(jié)晶引起合金中大角度晶界數(shù)量顯著增加，Al3Zr粒子從共格或者半共格轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺瘛ｋS著變形溫度的提高，合金的力學性能先提高后降低其原因主要是再結(jié)晶體積分數(shù)減小，細晶強化效果增加，而后亞晶長大降低細晶強化作用(圖1)。

3.2 淬火速率對合金組織和力學性能的影響

隨著淬火速率降低，晶界析出相粗化，力學性能降低(圖4)，這主要是由于淬火速率不僅能改變時效析出相的析出驅(qū)動力，而且能改變時效析出相的形核位置[17]。固溶緩慢冷卻過程中，粗大的平衡相在大角度晶界和非共格的Al3Zr粒子中優(yōu)先形核析出，基體的過飽和程度降低，淬火空位數(shù)量顯著減少。在兩者的作用下，在隨后的時效過程中，細小析出相的數(shù)量減少，合金的力學性能降低。

隨著淬火速率的降低，晶界無沉淀析出帶發(fā)生了顯著的寬化，這是由于在緩慢冷卻引起晶界附近空位濃度降低，阻礙時效相的析出。晶界無沉淀析出帶較基體軟，容易產(chǎn)生位錯塞積，引起應(yīng)力集中，降低合金塑性，引起合金斷口形貌從韌窩型斷裂向沿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

值得注意是，與 7A55 合金(Al-8.02Zn-2.03Mg-2.11Cu-0.16Zr)相比[16]，7085 合金(Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.12Zr)的淬火敏感性顯著降低。在相近條件下，即合金試樣淬火速率從室溫水淬降低到空冷，7A55合金抗拉強度降低幅度約25%，而 7085合金抗拉強度降低幅度僅5%左右。對比兩種合金T6時效態(tài)的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，兩者的晶內(nèi)析出相存在顯著區(qū)別。7A55合金在緩慢的冷卻過程中析出大量尺寸為幾百納米的晶內(nèi)析出相，而7085合金在緩慢的冷卻過程中晶內(nèi)析出相的尺寸為20～30 nm(見圖5)。兩者的區(qū)別與合金的成分密切相關(guān)，其原因可能是 Cu元素的存在促進GP區(qū)的形成或者是Zn和Mg的比例引起析出相的析出動力學的改變，還需要更進一步的研究。

圖5 變形溫度為420 ℃的合金緩慢冷卻的晶內(nèi)析出相分布Fig. 5 Precipitates distribution within grain under deformation temperature of 420 ℃ and slow quench

3.3 變形溫度和淬火速率對合金組織和力學性能的相互影響

當變形溫度較低和淬火速率緩慢時，合金的力學性能顯著降低，即高的淬火敏感性。這主要是有以下兩方面的原因。一方面，在較低變形溫度條件下，由于晶界驅(qū)動力大，促使共格的Al3Zr彌散相轉(zhuǎn)變成非共格的Al3Zr彌散相，在緩慢冷卻過程中，平衡相沿非共格的Al3Zr粒子非均勻形核析出[18]；另一方面，較低變形溫度形成的高體積分數(shù)的再結(jié)晶組織，形成的大角度晶界在緩慢冷卻過程中促進平衡相的非均勻形核。在兩者的共同作用下，溶質(zhì)原子大量消耗，鋁基體的過飽和程度顯著降低，合金的力學性能也隨之降低。當變形溫度較高時，非共格的Al3Zr粒子數(shù)量和再結(jié)晶體積分數(shù)減小，抑制了粗大的平衡相在緩慢冷卻過程中的析出，使合金保持了較優(yōu)的力學性能。

4 結(jié)論

1) 隨著變形溫度的降低，合金的再結(jié)晶體積分數(shù)顯著增加，力學性能先提高后降低；隨著淬火速率的降低，晶界析出相尺寸增大，晶界無沉淀析出帶寬化，力學性能降低，但降低幅度較??；隨著變形溫度提高，合金的淬火敏感性顯著減低。綜合合金的力學性能和淬火敏感性，變形溫度在420 ℃時為最佳。

2) 在變形溫度較低時情況下，形成的大體積分數(shù)的再結(jié)晶與緩慢的淬火速率相互作用顯著降低了合金的力學性能，這主要是再結(jié)晶形成的大角度晶界和非共格的Al3Zr粒子，促進緩慢冷卻時平衡相的析出，降低合金時效硬化。

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Effect of hot deformation temperature and quench rate on microstructure and property of 7085 aluminum alloy

CHEN Song-yi, CHEN Kang-hua, PENG Guo-sheng, LIANG Xin, CHEN Xue-hai
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The influences of hot deformation temperature and quench rate on microstructure and property of 7085 aluminum alloy were investigated by tensile testing, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results show decreasing hot deformation temperature can greatly increase the volume fraction of recrystallization, and the mechanical properties firstly increase and then decrease. With the decrease of quenching rate, the size of precipitations coarsens and the width of precipitation free zone widens as well as the mechanical properties decrease. In addition, the lower the deformation temperatures are, the higher the quench sensitivity is, which is attributed to the large volume fraction of recrystallization resulting in a large amount of high angle grain boundaries and incoherent Al3Zr serve as the nucleation sites of η(MgZn2). As a result, the aging-hardening decreases.

7085 aluminum alloy; hot deformation temperature; quench rate; mechanical property

TG 146.4

A

1004-0609(2012)04-1033-06

國家重點基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2010CB731701); 國家自然科學基金委員會創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51021063)；國家科技重大專項(2010ZX04012-21)

2011-02-21；

2011-07-27

陳康華，教授，博士；電話：0731-88830714；E-mail: khchen@mail.csu.edu.cn

(編輯 李艷紅)