7055鋁合金非等溫時效析出過程及力學性能變化

付多輝，陳忠家，王 杰，張 緩

(合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

7xxx鋁合金具有較高的比強度、較低的密度、良好的疲勞性能、較好的抗腐蝕性能和較高的斷裂韌性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備和交通運輸領(lǐng)域[1-3]。作為可熱處理強化型鋁合金，由于析出相的變化會直接影響最終時效強化效果，時效過程對于Al-Zn-Mg-Cu合金最終的力學性能起到了至關(guān)重要的作用[4,5]。

眾所周知，7xxx鋁合金的峰值強度可通過T6峰值時效獲得，但T6時效耗時過長的缺點始終難以被解決[5-7]。為提高時效效率和綜合性能，各國研究人員們相繼開發(fā)出T7x過時效和回歸再時效工藝以實現(xiàn)Al-Zn-Mg-Cu合金整體性能與工藝時間的平衡[8,9]。近年來，有學者將Staley和Durham[10]開發(fā)的非等溫時效(Non-isothermal Aging)進行了進一步研究并在7xxx鋁合金上實現(xiàn)了應(yīng)用，進一步改善了合金性能。Jiang等[11]人在Staley的基礎(chǔ)上研究了Al-6.02Zn-2.31Mg-2.04Cu在20℃/h升降溫速率下的非等溫時效過程中發(fā)現(xiàn)升溫階段加速了溶質(zhì)原子的擴散析出，極大提高了時效速率；后續(xù)的降溫階段又較好地抑制了晶界處析出相的粗化，并實現(xiàn)了對T74時效工藝的替代。然而，非等溫時效對于T6時效的替代性依然不強，時效工藝仍有較大的改良空間。本文將針對7055鋁合金材料設(shè)計非等溫時效工藝，結(jié)合TEM和室溫拉伸測試研究時效過程中析出相組織以及力學性能的變化，旨在獲得力學性能優(yōu)異且用時較短的非等溫時效工藝。

1 實驗方法

本實驗所用材料為商用7055棒材；材料固溶處理后立即水冷，隨后進行非等溫時效，以40℃/h速率將試樣從100℃升溫至175℃再以20℃/h分別降溫至175℃、145℃、125℃、100℃。具體流程圖如圖1所示，其中H代表升溫(Heating)，C代表降溫(Cooling)。

圖1 7055鋁合金熱處理工藝圖Fig.1 Heat treatment process for 7055 aluminum alloy

本實驗使用的TEM設(shè)備為JEM-2100F型透射電子顯微鏡。TEM試樣需先將材料機械研磨至100μm以下再利用沖孔機沖出直徑3mm的小圓片，最后在電解雙噴儀上進行雙噴減薄，電解液為70%CH2OH+30%HNO3，減薄參數(shù)為溫度<-20℃，電壓8V～12V，電流60mA～80mA。室溫拉伸實驗在CMT5105萬能實驗機上進行，拉伸速率為1mm/min；拉伸試樣尺寸見圖2，每組試樣測試3次并取平均值為最終結(jié)果。

圖2 拉伸試樣圖Fig.2 Tensile specimen diagram

2 結(jié)果與討論

2.1 TEM明場像分析

圖3為合金以40℃/h加熱至175℃后以20℃/h降溫至不同溫度的晶內(nèi)析出相TEM明場像圖片。結(jié)合圖4的統(tǒng)計結(jié)果可知，H40-175℃狀態(tài)的合金晶內(nèi)析出相尺寸較小，析出相尺寸分布區(qū)間為1nm～5nm且分布較為彌散；進入到降溫階段后，析出相的尺寸開始迅速增大且尺寸分布也開始寬化；C20-145℃的合金析出相尺寸分布區(qū)間已寬化至3nm～10nm且大部分析出相的尺寸集中在4nm～7nm。繼續(xù)降溫至125℃時，合金內(nèi)部析出相分布相比C20-145℃要更為密集；通過統(tǒng)計可知，此時的析出相尺寸分布在2nm～10nm。當最終溫度降至100℃后合金內(nèi)部析出相尺寸進一步集中，析出相尺寸分布區(qū)間依然為為2nm～10nm，但尺寸過大的析出相(>7.5nm)相對含量已從C20-145℃的17.03%降至15%，而小尺寸析出相(<4nm)含量從C20-145℃的20%增多至27%。H40-175℃時合金內(nèi)部存在大量細小析出相說明此時合金已較為充分地完成了形核過程；隨后降溫初期的高溫環(huán)境能夠極快地加速擴散從而促進析出相的長大。此外，細小析出相含量的增多說明合金在降溫后期出現(xiàn)了部分析出相的二次析出，這些新相在低溫環(huán)境下可以較為穩(wěn)定的存在；同時，低溫環(huán)境又能較好地抑制析出相的粗化。因此，非等溫時效工藝可以實現(xiàn)析出相短時間內(nèi)的充分形核和快速長大。

(a)H40-175℃；(b)C20-145℃；(c)C20-125℃；(d)C20-100℃；(e)T6圖3 不同時效狀態(tài)下合金TEM明場像圖片F(xiàn)ig.3 TEM BF image of alloys under different aging conditions

圖3(e)和圖4(e)分別是T6時效態(tài)合金晶內(nèi)析出相明場像圖片和統(tǒng)計出的析出相尺寸分布?？梢钥闯?，T6時效態(tài)的合金晶內(nèi)析出相尺寸分布較為密集，析出相尺寸分布區(qū)間為2.5nm～7.5nm。對比非等溫時效過程的分析結(jié)果可知，除去H40-175℃狀態(tài)，非等溫時效后的合金內(nèi)部析出相尺寸分布區(qū)間都大于T6時效，但非等溫時效后析出相的尺寸分布區(qū)間基本都集中在2nm～10nm，并未發(fā)現(xiàn)尺寸過于粗大的析出相。此外，根據(jù)圖5的衍射斑結(jié)果可知，非等溫時效過程中的主要析出相為η′相，與T6時效態(tài)的主要析出相一樣，并未發(fā)生向η相的轉(zhuǎn)變。

(a)H40-175℃；(b)C20-145℃；(c)C20-125℃；(d)C20-100℃；(e)T6圖4 不同時效狀態(tài)下析出相尺寸分布統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of precipitate size under different aging conditions

(a)H40-175℃；(b)C20-145℃；(c)C20-125℃；(d)C20-100℃；(e)T6圖5 不同時效狀態(tài)下合金選區(qū)電子衍射斑Fig.5 Selected electron diffraction spots of alloys under different aging states

2.2 析出相尺寸與體積分數(shù)對比

為更加準確地對比不同時效工藝下的析出行為，我們利用Dumont等人[12]給出的方法對幾組時效狀態(tài)下析出相的尺寸和體積分數(shù)進行了統(tǒng)計分類，其結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，H40-175℃狀態(tài)合金由于時效時間過短，大部分析出相仍處于形核階段，析出相平均尺寸最小，僅2.5nm。相比較來說，T6時效的合金內(nèi)部含有大量尺寸較為細小的析出相，但對比其余非等溫時效態(tài)的合金，T6時效后的合金內(nèi)部析出相平均尺寸仍然較低；其中C20-100℃時效態(tài)合金析出相平均尺寸為5.58nm，比T6時效態(tài)高了0.98nm。此外，對比析出相體積分數(shù)變化可以看出，非等溫時效過程中合金內(nèi)部析出相體積分數(shù)持續(xù)上升且在時效后期析出相體積分數(shù)已經(jīng)大于T6時效態(tài)。經(jīng)過完整非等溫時效(C20-100℃)后的合金內(nèi)部析出相體積分數(shù)為6.3%，比T6時效合金要高出0.7%。

表1 不同時效工藝下析出相尺寸及體積分數(shù)統(tǒng)計對比

2.3 析出相對力學性能的影響

圖6給出了非等溫時效態(tài)合金(C20-100℃)與T6時效態(tài)合金的室溫拉伸性能。通過對比可以看出，C20-100℃狀態(tài)合金的屈服強度為660MPa，比T6時效態(tài)合金上升了44MPa，抗拉強度為730MPa，上升了40MPa；延伸率則維持在了相同的水平，C20-100℃狀態(tài)合金延伸率為11.3%，而T6時效態(tài)合金延伸率為12%。此外，該時效工藝整體僅用時5.625h，相比T6時效的120℃下保溫24h，非等溫時效在用時上縮短了76.6%，大幅提高了時效效率。

圖6 非等溫時效與T6時效力學性能對比Fig.6 Comparison of mechanical properties between non-isothermal aging and T6 aging

合金內(nèi)部析出相對合金力學性能的作用主要由析出相尺寸分布與體積分數(shù)控制。尺寸細小的析出相與基體的相界面處存在著因原子錯配而產(chǎn)生的晶格畸變，這些晶格畸變導(dǎo)致相界面處存在著應(yīng)變場[13]，位錯在運動過程中若經(jīng)過這些析出相，其本身的彈性應(yīng)變場與相界面處的應(yīng)變場相互作用會阻礙位錯的前進，析出相便可以釘扎位錯阻礙塑性變形。這類強化機制被稱為共格應(yīng)變強化，一般發(fā)生在尺寸相對較小的析出相周圍。共格應(yīng)變強化表達式如下：

式中，β、M、G、ε、b均為常數(shù)，fV、r分別為析出相絕對體積分數(shù)和半徑[14]。利用該公式可對時效過程中的力學性能變化進行定性分析?？梢钥闯?，對于小尺寸析出相，析出強化效果與析出相體積分數(shù)和尺寸呈正相關(guān)。由于非等溫時效和T6時效中合金內(nèi)部均不存在尺寸過于粗大的析出相，本文的析出相對合金的強化作用均可按共格應(yīng)變強化分析。根據(jù)前文的統(tǒng)計結(jié)果可知，非等溫時效后析出相的平均尺寸比T6時效態(tài)大了0.98nm且析出相體積分數(shù)也比T6時效態(tài)的高出了0.7%，故非等溫時效后的合金共格應(yīng)變強化效果更明顯。因此，在相對更高的析出相體積分數(shù)和更大的析出相平均尺寸的作用下，非等溫時效后的合金強度要明顯高于T6時效。

3 結(jié)論

(1)在本文的非等溫時效過程中，升溫后的合金內(nèi)部析出相尺寸較小且析出相體積分數(shù)也較低；進入到降溫時效初期，析出相尺寸和體積分數(shù)均迅速上升(C20-(175℃～145℃))并保持穩(wěn)定，但合金內(nèi)部析出相出現(xiàn)局部粗化；繼續(xù)降溫后合金內(nèi)部發(fā)生二次析出，大量細小的新相出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部并帶來了析出相體積分數(shù)的進一步上升(C20-100℃)。

(2)對比T6時效，非等溫時效后合金的內(nèi)部析出相尺寸分布區(qū)間更寬，但并未出現(xiàn)尺寸過于粗大的析出相。非等溫時效后的合金內(nèi)部析出相體積分數(shù)與平均尺寸均比T6時效態(tài)高，更高的析出相體積分數(shù)和更大的析出相平均尺寸為合金提供了更為明顯的共格應(yīng)變強化效果。

(3)非等溫時效后合金的屈服強度相比T6時效高出了44MPa，抗拉強度高出40MPa且兩種時效態(tài)下的合金延伸率接近；此外，該工藝總用時僅為5.625h，極大地提升了時效效率。

Precipitation Process and Mechanical Properties of 7055 Aluminum Alloy During Non-Isothermal Aging

Fu Duohui, Chen Zhongjia, Wang Jie, Zhang Huan

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract: In this paper, a non-isothermal aging (NIA) process is applied to 7055 aluminum alloy, which improved the mechanical properties of the alloy compared with T6 aging and greatly shortened the aging time. The results show that the precipitates nucleate at high speed during the rapid heating stage (100℃～175℃) in the early aging stage. In the early cooling stage (175℃～145℃), the precipitated phase grows rapidly under high temperature environment. In the late cooling stage (125℃～100℃), the low tempearture environment inhibited the coarsening of precipitated phase and provided a stable environment for the precipitation of new phase, leading to the emergence of secondary precipitation phenomenon. Compared with T6, the volume fraction of precipitated phase in the alloy after non-isothermal aging increases by 0.7%, and the average size of precipitated phase increases by 0.98nm. the yield strength, elongation and tensile strength of the alloy afer non-isothermal aging reach 660MPa, 11.5%,723MPa respectively. The total aging time is only 5.625h, which is 76.6% shorter than T6.

Keywords: 7055 aluminum alloy; non-isothermal aging; precipitation strengthening; mechanical properties.