噴射成形7055鋁合金鍛件的高溫力學(xué)性能

商海東，周小軍，王飛，楊歐陽，蔣云澤，張捷，張豪

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噴射成形7055鋁合金鍛件的高溫力學(xué)性能

商海東1，周小軍2，王飛1，楊歐陽1，蔣云澤2，張捷2，張豪2

(1. 貴州新安航空機械有限責(zé)任公司，安順 561000；2. 江蘇豪然噴射成形合金有限公司，鎮(zhèn)江 212009)

對噴射成形7055鋁合金擠壓棒材進行自由鍛造及T74熱處理(450 ℃/3 h+475 ℃/3 h固溶，120 ℃/8 h+160 ℃/24 h時效)，然后分別在室溫下、以及加熱到100，125，150，175和200 ℃下保溫30 min后進行拉伸試驗，待試樣冷卻到室溫后，測定其電導(dǎo)率，觀察其金相組織與拉伸斷口形貌，研究7055鋁合金鍛件的室溫與高溫力學(xué)性能以及溫度對合金組織的影響。結(jié)果表明，熱處理后的7055鋁合金鍛件組織均勻、晶粒細(xì)小，并且具有較好的高溫穩(wěn)定性。合金的室溫抗拉強度和屈服強度分別為632 MPa和607 MPa，伸長率為14.5%。隨溫度從100 ℃升高到150 ℃，合金電導(dǎo)率基本不變，合金的強度小幅下降；當(dāng)加熱溫度從150 ℃升高到200 ℃時，電導(dǎo)率顯著降低，強度大幅下降。合金的伸長率隨溫度升高而提高。在200 ℃下合金的抗拉強度和屈服強度分別為349 MPa和335 MPa，伸長率為20%。在100~200 ℃溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出塑韌性斷裂特征。

噴射成形；7055鋁合金；鍛件；高溫力學(xué)性能；電導(dǎo)率；拉伸斷口；韌窩組織

7055合金屬于Al-Zn-Mg-Cu(7000)系變形鋁合金，是目前已成熟應(yīng)用的強度最高、綜合性能最好的超高強度鋁合金，俗稱“王牌鋁合金”。美國在1991年2月登記注冊了7055鋁合金，Alcoa公司生產(chǎn)的7055-T77合金板材集高強、高韌、抗蝕于一體[1]。該合金主要應(yīng)用于大中型客機及戰(zhàn)斗機的機翼壁板、機翼長桁、座椅滑軌、地板梁等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)[2?3]。目前生產(chǎn)7055鋁合金的方法主要是半連續(xù)鑄造，先鑄造成錠坯，再將鑄錠進行塑性加工成型。但由于7055的合金元素含量較高，導(dǎo)致鑄坯中存在宏觀偏析嚴(yán)重、未溶共晶相粗大以及發(fā)達(dá)的枝晶組織和枝晶偏析等問題，這些問題限制了鑄錠的三維規(guī)格，降低了其塑性加工性能和力學(xué)性能[4]。噴射成形技術(shù)具有快速凝固的特點，采用該技術(shù)制備的7055合金成分均勻、無宏觀偏析、組織細(xì)小，且第二相細(xì)小，因而合金強度高，綜合性能優(yōu)異，并且可生產(chǎn)三維大規(guī)格尺寸錠坯[5]。噴射成形7055鋁合金已用于飛機機輪[6]，飛機剎車制動過程中鋁合金輪轂的瞬時高溫達(dá)到150~200 ℃[7]；在用于艦船甲板、熱帶沙漠等環(huán)境時極端高溫達(dá)到70~100 ℃。因此需要盡快掌握噴射成形7055鋁合金鍛件在上述高溫工況下的力學(xué)性能以指導(dǎo)應(yīng)用。經(jīng)過文獻檢索，目前沒有7055鋁合金鍛件高溫力學(xué)性能研究的報道，本文作者針對T74熱處理后的噴射成形7055鋁合金鍛件，研究其室溫與100~200 ℃高溫下的拉伸性能，并通過電導(dǎo)率測試、金相組織與斷口形貌的觀察與分析，研究該合金的高溫力學(xué)性能變化機理，以期為噴射成形7055鋁合金在較高溫度(100~200 ℃)下的應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 實驗

直徑為485 mm的噴射成形7055鋁合金圓錠由江蘇豪然噴射成形合金有限公司生產(chǎn)，主要化學(xué)成分為Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu，詳細(xì)成分見《GB/T3190—2008變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》。熱處理爐為丹陽宏皓工業(yè)爐有限公司生產(chǎn)的DL09?1208型淬火爐和DL09? 1198型實效爐。

將噴射成形7055鋁合金圓錠，在西南鋁8000噸臥式擠壓機上擠壓成直徑為110 mm的棒材，然后采用自由鍛造方式，將擠壓棒材單道次鍛壓成長方體鍛件，鍛造設(shè)備為天津第二鍛壓機床廠生產(chǎn)的3000噸四柱油壓機，鍛造溫度為440±10 ℃；之后對鍛件進行T74熱處理，詳細(xì)制度為雙級固溶(450 ℃/3 h+475 ℃/3 h)加雙級時效(120 ℃/8 h+160 ℃/24 h)；熱處理結(jié)束后統(tǒng)一沿長度方向(縱向)切取試樣，根據(jù)《GBT4338金屬材料高溫拉伸試驗方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)試棒，在進口德國DOLI公司的DDL100電子萬能試驗機上測試其在100，125，150，175和200 ℃溫度下的拉伸性能，將試樣加熱到規(guī)定溫度后保溫30 min，然后進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min；同時將未加熱的試樣在25 ℃溫度下進行拉伸試驗，測定其室溫拉伸性能。拉伸試驗結(jié)束后，待試樣冷卻至室溫，采用廈門鑫博特科技有限公司生產(chǎn)的D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測試儀測定其電導(dǎo)率，測試方法執(zhí)行《GB/T12966—91 鋁合金電導(dǎo)率渦流測試方法》。之后采用德國蔡司JEM-2100F場發(fā)射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌；從拉伸后的試樣上切割制取金相試樣，在由95 mL H2O＋1 mL HF＋1.5 mL HCl＋2.5 mL HNO3的混合液中浸蝕8~15 s，然后在蔡司Observer. Z1m金相顯微鏡上觀察金相組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖1所示為熱處理后的7055鍛件在100，125，150，175和200 ℃以及25 ℃下進行拉伸試驗的拉伸性能。由圖1(a)可看出，合金在25 ℃下的抗拉強度和屈服強度分別為632 MPa和607 MPa，在100~200 ℃溫度范圍內(nèi)合金的抗拉強度隨溫度升高而下降，在100~150 ℃區(qū)間內(nèi)強度下降的幅度較小，而當(dāng)溫度高于150 ℃時加速下降。在200 ℃下7055合金的抗拉強度和屈服強度分別為349 MPa和335 MPa，相比航空機輪常用的LD10鋁合金抗拉強度(294 MPa)和屈服強度(226 MPa)分別提高18.7%和48.2%[8]。由圖1(b)看出，隨溫度升高，合金的斷后伸長率和斷面收縮率都升高。伸長率從室溫的14.5%升高到200 ℃的20%，斷面收縮率從室溫的40%升高到200 ℃的69%，而且在125 ℃以后斷面收縮率升高加速。

圖1 噴射成形7055合金鍛件在不同溫度下的拉伸性能

圖2所示為拉斷試棒的宏觀照片，圖中是將拉斷試棒斷口相對拼接在一起拍攝。由圖可見隨溫度升高，試棒斷口處頸縮越來越嚴(yán)重，與斷面收縮率數(shù)值變化對應(yīng)。

圖2 7055鋁合金在不同溫度下拉斷時宏觀照片

2.2 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率作為非破壞式的方法可檢測鋁合金的熱處理工藝執(zhí)行情況，也可用來反映鋁合金的力學(xué)性能及抗腐蝕性能等，是國內(nèi)外鋁合金工業(yè)廣泛應(yīng)用的檢測方法[9?10]。對于化學(xué)成分確定的時效強化鋁合金，合金的微觀組織與電導(dǎo)率、硬度、抗蝕性能等具有一定的對應(yīng)關(guān)系[11]。隨時效過程的進行(溫度升高或時間延長)，淬火得到的過飽和固溶體逐步析出溶質(zhì)原子(形成G.P.區(qū)、過渡相和穩(wěn)定相等強化相)，使合金的晶格畸變程度降低，內(nèi)應(yīng)力減小，從而使電子運動變得容易，合金的強度和電導(dǎo)率均增大。時效溫度越高或時效時間越長，強化相析出越充分，合金的電導(dǎo)率越高(但強度則不一定，時效到一定程度后，合金的強度呈下降趨勢。也就是說時效初期合金的強度和電導(dǎo)率變化趨勢相似，時效后期二者的變化趨勢相反)[11]。反過來說，對于同一種時效處理的鋁合金，在其它條件相同的情況下，電導(dǎo)率越高，表明其強化相的析出程度越高。

圖3所示為不同溫度下拉伸試驗后試樣冷卻至室溫時的電導(dǎo)率。由圖看出，拉伸試驗溫度不超過150 ℃時，隨試驗溫度升高，電導(dǎo)率基本不變，在38.5~ 38.7%IACS之間。當(dāng)拉伸溫度≥175 ℃后，隨溫度升高，電導(dǎo)率加速上升，175 ℃時為39.1%IACS，至200 ℃時上升到42.6%IACS。由此判斷經(jīng)過熱處理的噴射成形7055鋁合金鍛件在150 ℃以下保溫30 min，其微觀組織基本沒有變化。當(dāng)高于175 ℃溫度下保溫30 min，微觀組織發(fā)生較明顯的變化。研究表明，Al-Zn-Mg-Cu系合金時效過程中沉淀相析出順序為：α(過飽和固溶體)→GP區(qū)→η′(MgZn1.3~1.5)→η相(Mg- Zn2)。GP區(qū)是Mg、Zn原子在Al基體某一晶面偏聚而形成的球狀原子偏聚區(qū)，與基體保持完全共格。η′相MgZn1.3~1.5為過渡相，在Al基體中形成圓盤狀，具有六方結(jié)構(gòu)，與基體保持完全半共格，而η相MgZn2是平衡相，六方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)與基體非共格[12]。在高于175 ℃溫度下保溫時，GP區(qū)和η′相逐步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的η相，析出相與基體的位向關(guān)系由共格和部分共格轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺?，使基體晶格畸變程度減小，內(nèi)應(yīng)力降低，從而使電子運動變得容易，電導(dǎo)率提高。

圖3 7055鋁合金在不同溫度下拉伸試驗后冷卻至室溫時的電導(dǎo)率

2.3 金相組織

圖4所示為7055鋁合金在不同溫度下拉伸試驗后的金相組織，其中圖4(a)是室溫下拉伸后的金相組織。由圖看出，所有拉伸試樣組織均勻，合金已發(fā)生完全再結(jié)晶，晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸＜50 μm，α-Al基體及晶界上有均勻分布的析出相質(zhì)點，同時殘存很少量未固溶的S相(CuMgAl2)及難溶相。說明噴射成形7055鋁合金化學(xué)成分均勻，結(jié)晶相細(xì)小且彌散分布，經(jīng)過擠壓、鍛造和固溶處理后絕大部分已充分溶解，在后續(xù)時效過程中析出相均勻析出在晶界和晶粒內(nèi)部。從圖4還看出，隨溫度升高，金相組織沒有明顯變化。結(jié)合電導(dǎo)率測試結(jié)果，說明噴射成形7055鋁合金在150 ℃以下的溫度下保溫30 min，微觀組織基本穩(wěn)定。在175 ℃和200 ℃下保溫30 min，晶粒尺寸無變化，析出相也未發(fā)生顯著合并長大。圖3顯示拉伸試驗溫度高于175 ℃時，拉伸后試樣的室溫電導(dǎo)率隨拉伸溫度升高而加速上升，是由于GP區(qū)和η′相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的η相，強化效果減弱，基體晶格畸變程度減小，內(nèi)應(yīng)力降低所致，在光學(xué)顯微鏡下無法觀察到這一變化特征，待進一步研究。

圖4 7055鋁合金在不同溫度下拉伸試驗后的金相組織

2.4 拉伸斷口

圖5和圖6所示分別為合金拉伸斷口的低倍與高倍SEM形貌。由圖看出25 ℃下的拉伸斷口粗糙，存在顯著的“韌帶”組織特征，在高倍下觀察發(fā)現(xiàn)韌帶中兩薄層晶粒之間晶界區(qū)域存在大的孔洞，晶粒均存在微剪切唇，表明這些晶粒發(fā)生穿晶剪切斷裂。此外在低倍下還可看到斷口存在少量小尺寸韌窩。上述斷口形貌特征屬于典型塑性斷裂特征，說明噴射成形7055-T74在室溫下具有良好的塑韌性。100 ℃下的拉伸斷口與25 ℃的拉伸斷口相似，仍看到“韌帶”組織，由高倍形貌可看到晶粒內(nèi)部存在高密度、小尺寸的韌窩。當(dāng)溫度升高到125 ℃時，“韌帶”組織變得稀少，從高倍形貌看出較明顯的“韌窩”形貌。這是因為隨變形溫度升高，基體合金的強度下降，基體相與沉淀相的強度差異增加。此時，在外應(yīng)力作用下，大尺寸沉淀相/基體界面處成為裂紋優(yōu)先萌生的位置，韌窩由此產(chǎn)生、積聚、連接成為裂紋，最終導(dǎo)致斷裂[13]。溫度進一步升高至150 ℃時，斷口中“韌帶”特征基本消失，微孔集聚型斷裂行為變得顯著，“韌窩”數(shù)量明顯增加。175 ℃下的斷口“韌窩”斷裂特征進一步增強，韌窩數(shù)量、尺寸、深度均增加，韌窩的側(cè)壁變得很薄，韌窩邊界存在非常顯著的滑移特征，這表明在該溫度下基體的強度顯著降低而塑性大幅度提高，韌窩一旦形成，則通過韌窩邊界基體合金的滑移變形不斷匯聚、長大，直至樣品中形成宏觀裂紋直至斷裂。200 ℃下的斷口形貌與175 ℃非常相似，放大倍數(shù)下發(fā)現(xiàn)韌窩尺寸進一步加大，韌窩側(cè)壁變薄，表明斷裂前塑性變形量進一步增大。

圖5 7055鋁合金拉伸斷口的SEM低倍形貌

由以上分析可知，噴射成形7055-T74鋁合金在不同溫度下的變形、斷裂特征明顯不同。隨溫度升高，合金中的熱激活作用不斷增強、基體軟化，晶界/晶內(nèi)強度差異逐漸縮小[14]，且沉淀相釘扎位錯的能力減弱，基體強度顯著降低、塑性升高，裂紋在各處沉淀相界面同時萌生并逐漸擴展，形成斷口各處的韌窩。此時在剪切斷裂區(qū)內(nèi)剪切斷裂特征弱化而韌窩特征逐漸增強。隨溫度進一步升高，基體塑性很好，裂紋萌生階段持續(xù)時間較長，韌窩尺寸大、深度較深，由大尺寸沉淀相剝落形成的孔洞顯著增多。

圖6 7055鋁合金在不同溫度下拉伸的斷口SEM高倍形貌

3 結(jié)論

1) 隨拉伸測試溫度升高，噴射成形7055鋁合金鍛件的強度逐漸下降，伸長率和斷面收縮率提高。隨溫度從25 ℃升高到200 ℃，抗拉強度和屈服強度從632 MPa和607 MPa分別下降到349 MPa和335 MPa，伸長率從14.5%升高到20%，斷面收縮率從40%升高到69%。

2) 拉伸測試溫度≤150 ℃時，隨測試溫度升高，經(jīng)過高溫測試后的試樣室溫電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，在38.5~38.7%IACS之間。當(dāng)測試溫度≥175 ℃后，隨溫度升高，測試后試樣室溫下電導(dǎo)率加速上升，175 ℃時為39.1%IACS，至200 ℃時為42.6%IACS。

3) 噴射成形7055鋁合金鍛件組織均勻，平均晶粒尺寸＜50 μm，在溫度≤150 ℃下保溫30 min組織穩(wěn)定，在175 ℃和200 ℃保溫30 min晶粒尺寸無長大現(xiàn)象，析出相也未發(fā)生強烈合并長大。

4) 噴射成形7055-T74鋁合金鍛件在室溫下表現(xiàn)出良好的塑韌性斷裂特征。斷口形貌由＜150 ℃下的“韌帶”+“韌窩”斷裂特征逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤?50 ℃下的全“韌窩”斷裂特征。溫度升高，“韌窩”數(shù)量、尺寸、深度均增加，韌窩側(cè)壁變薄。

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(編輯 湯金芝)

Mechanical properties at high temperature of spray-forming 7055 aluminum alloy forgings

SHANG Haidong1, ZHOU Xiaojun2, WANG Fei1, YANG Ouyang1, JIANG Yunze2, ZHANG Jie2, ZHANG Hao2

(1. Guizhou Xin’an Aviation Machinery Co. Ltd., Anshun 561000, China; 2. Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co. Ltd., Zhenjiang 212009, China)

The cuboid free forgings were prepared by spray forming 7055 aluminium alloy extruded bars (?110 mm). The alloys were heat treated according to T74 (450 ℃/3 h+475 ℃/3 h solid-solution, 120 ℃/8 h+160 ℃/24 h aging treatment). After the treatment, the tensile tests were carried on the samples at different temperatures including room temperature, 100, 125, 150, 175 and 200 ℃ for 30 min, respectively. The electrical conductivity of tensile specimens at room temperature was detected. Metallographic structure and fracture surfaces were analyzed by OM and SEM. The results indicate that microstructure of the 7055 aluminum forging after heat treatment has fine grain, uniform microstructure and good high temperature stability. The bend strength, yield strength and elongation are 632, 607 MPa and 14.5% respectively at room temperature. The electrical conductivity of the forgings keeps steady and strength decreases slightly when the temperature increasing from 100 ℃ to 150 ℃; however, the electrical conductivity and strength decrease rapidly when the temperature increasing from 150 ℃ to 200 ℃. The elongation increases with increasing temperature. The bend strength, yield strength and elongation of the alloy are 349, 335 MPa and 20% respectively when temperature is 200 ℃. Spray forming 7055-T74 forgings show a ductile fracture characteristics in the range of 100?200 ℃.

spray forming; 7055 aluminum alloy; forgings; mechanical properties at high temperature; electrical conductivity; tensile fracture; nest microstructure

TG146.2

A

1673-0224(2017)05-636-07

2016?12?19；

2017?03?10

商海東，高級工程師。電話：18708530309；E-mail: shanxixjz@163.com