淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間與淬火后停放時(shí)間對(duì)7475 鋁合金性能和組織的影響

高寶亭

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

關(guān)鍵字：7475鋁合金；淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間；淬火后停放時(shí)間；力學(xué)性能；顯微組織

0 前言

7475 鋁合金是一種典型的7×××系鋁合金，因其強(qiáng)度高并且斷裂韌度及抗應(yīng)力腐蝕性能也非常優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于制造航空飛行器的機(jī)身蒙皮、壁板、翼梁等結(jié)構(gòu)件[1-2]。由于其在輕量化、抗腐蝕性能以及抗損傷容限方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，除軍用和民用航空鋁材市場(chǎng)外，近年來(lái)，在軌道交通領(lǐng)域也受到極大關(guān)注，市場(chǎng)潛力巨大。

由于7475 合金主要應(yīng)用于航空器和地面交通工具的受力結(jié)構(gòu)件[3]，因此對(duì)材料的性能和組織指標(biāo)以及穩(wěn)定性要求非常高，進(jìn)而對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程控制要求也非常嚴(yán)格。為保證供應(yīng)制品質(zhì)量的穩(wěn)定性，客戶往往要求供應(yīng)商須通過(guò)以NADCAP體系為代表的一系列資質(zhì)認(rèn)證。無(wú)論是從保證質(zhì)量穩(wěn)定性還是通過(guò)NADCAP體系認(rèn)證角度考慮，每一項(xiàng)過(guò)程工藝參數(shù)都應(yīng)有細(xì)致的規(guī)定，并且要求有理論研究作為支撐。目前，關(guān)于該合金的公開(kāi)理論研究主要集中在熱加工、淬火制度和時(shí)效制度方面，沒(méi)有對(duì)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間與淬火后停放時(shí)間對(duì)性能和組織影響方面的研究。為幫助制造商和客戶更好地進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程工藝控制和了解其對(duì)應(yīng)的理論依據(jù)，本文對(duì)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間與淬火后停放時(shí)間對(duì)7475 鋁合金性能和組織的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用料

本次試驗(yàn)選用規(guī)格為25 mm×100 mm 的7475鋁合金熱擠壓帶板，其化學(xué)成分滿足GB/T3190—2008要求，具體詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

為方便研究，該材料的淬火制度設(shè)定為（470±3）℃，保溫60 min；時(shí)效制度設(shè)定為（125±5）℃，保溫16 h。為研究淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)7475 鋁合金組織和性能的影響規(guī)律，將轉(zhuǎn)移時(shí)間分為5 s、15 s、30 s、60 s四組進(jìn)行，相關(guān)試驗(yàn)料均淬火后停留3 h；試驗(yàn)裝備為爐溫均勻性滿足±3 ℃的工業(yè)爐，環(huán)境溫度為20～25℃，淬火水溫為30～40 ℃。以轉(zhuǎn)移時(shí)間60 s 為例，測(cè)得的實(shí)際最低料溫為452 ℃。為研究淬火后停放時(shí)間對(duì)7475鋁合金組織和性能的影響規(guī)律，選用轉(zhuǎn)移時(shí)間為15 s的試驗(yàn)料，環(huán)境溫度為20～25 ℃；淬火后的去應(yīng)力拉伸矯直率0.8%～1.2%，拉伸矯直完成時(shí)間為淬火后2 h 內(nèi)，將停放時(shí)間選擇為3 h、6 h、48 h、168 h 四組進(jìn)行研究。本文涉及的力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織試樣分別按照GB/T 16865《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及試驗(yàn)方法》和GB/T 3246.1《變形鋁及鋁合金顯微組織檢測(cè)方法》的規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)性能的影響

按照既定試驗(yàn)方法，對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)料進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)（每組檢測(cè)均有3 個(gè)平行試樣）。淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響如表2所示，淬火后停放時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響如表3 所示。從表2 中可以看出，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間從5 s 到30 s 的區(qū)間內(nèi)，性能沒(méi)有任何變化，而轉(zhuǎn)移時(shí)間延長(zhǎng)至60 s時(shí)，性能出現(xiàn)稍許下降。從表3中可以看出，停放時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響甚微，幾乎在試驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。7475 合金這種性能變化可以給工程化生產(chǎn)帶來(lái)很大的便利條件。

表2 淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)7475鋁合金力學(xué)性能的影響

表3 停放時(shí)間對(duì)7475鋁合金力學(xué)性能的影響

2.2 對(duì)顯微組織的影響

為了分析這種力學(xué)性能微小變化的原因，將7475 鋁合金的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)試樣與停放時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)試樣進(jìn)行了光學(xué)金相組織分析。同時(shí)為與原始狀態(tài)對(duì)比，將熱擠壓狀態(tài)的試樣進(jìn)行了金相組織分析。

從圖1熱擠壓狀態(tài)的金相組織可以看出，這是不完全再結(jié)晶的組織，基體上大量析出了Cr 相，隱現(xiàn)著一些亞晶結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2 和圖3 分析可知，經(jīng)過(guò)470 ℃/60 min 的淬火和125 ℃/16 h 的T6 狀態(tài)處理，無(wú)論是停放還是轉(zhuǎn)移不同時(shí)間的試樣，其金相組織的特征幾乎都是相同的，只能看到它們都是再結(jié)晶組織，其基體內(nèi)析出了眾多Cr相[4]，無(wú)法分辨出它們有什么組織上的不同。因此間接說(shuō)明了為什么它們性能方面的差異非常小，以至于不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間和停放時(shí)間的試樣，其性能和組織上都沒(méi)有什么差異。

圖1 7475合金熱擠壓狀態(tài)光學(xué)顯微金相組織

圖2 不同轉(zhuǎn)移時(shí)間的光學(xué)顯微金相組織對(duì)比

圖3 不同停放時(shí)間的光學(xué)顯微金相組織對(duì)比

為進(jìn)一步在更加細(xì)微的組織層面觀察組織的變換特征，對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間為60 s 的試樣和停放時(shí)間為48 h 和168 h 的試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，其結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 淬火后轉(zhuǎn)移時(shí)間60 s的SEM顯微組織

圖5 不同停放時(shí)間的SEM顯微組織

從SEM 組織照片可以看出，上述三種組織沒(méi)有明顯的差別，都有較密集的基體組織η＇相的析出、鏈鎖狀的晶界與較窄的無(wú)析出區(qū)。只是停放168 h 的試樣組織上，析出相稍微粗大些，但從析出相的尺寸上可判斷，它們?nèi)匀皇铅牵郲5]。依據(jù)常識(shí)，7×××系鋁合金的強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的顯微組織形貌特征是GP區(qū)+η＇[6-7]，而上述三種狀態(tài)的特征恰是這種析出相結(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步說(shuō)明了為什么它們的強(qiáng)度不降低的原因。

綜上所述可知，7475 鋁合金淬火后過(guò)飽和空位和過(guò)飽和溶質(zhì)原子相結(jié)合而成的一種空位+溶質(zhì)原子集團(tuán)組織是相對(duì)穩(wěn)定的，基本不受時(shí)間的影響，不隨時(shí)間的變化而發(fā)生長(zhǎng)大或消失。這樣一種穩(wěn)定的析出相的臨界核心只有在較高的溫度（例如人工時(shí)效溫度）下才能長(zhǎng)大，而在較低的溫度下，它們能保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間而不發(fā)生任何實(shí)質(zhì)性的變化[7-8]。

3 分析與討論

本文關(guān)于轉(zhuǎn)移時(shí)間的研究是在一定的裝備和環(huán)境保障條件下進(jìn)行的，目的在于從機(jī)理層面說(shuō)明7475 鋁合金對(duì)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不敏感，幫助生產(chǎn)和工藝技術(shù)管理者利用這種特性，適當(dāng)放寬對(duì)具體的生產(chǎn)裝備和環(huán)境條件要求的限制，從而制定出既能符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件又能保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的過(guò)程控制要求。需要特殊說(shuō)明的是，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中不能忽略環(huán)境溫度以及裝備條件情況的影響而制定轉(zhuǎn)移時(shí)間控制要求。任何材料的工業(yè)化生產(chǎn)，均離不開(kāi)生產(chǎn)裝備能力的保證。工業(yè)化生產(chǎn)中，用于固溶處理的淬火爐裝備一般都具備控制轉(zhuǎn)移時(shí)間的能力，只是不同設(shè)備或者隨著裝備條件的老化，其對(duì)應(yīng)的控制能力出現(xiàn)不同程度的差異。裝備和環(huán)境條件不同，隨著轉(zhuǎn)移時(shí)間延長(zhǎng)，造成材料淬火冷卻前的溫度降低程度不同，從而對(duì)最終組織性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，只是材料的特性不同，體現(xiàn)出的影響程度大小不同。如果實(shí)際材料淬火冷卻前的溫度過(guò)低，會(huì)致使材料的性能出現(xiàn)較大波動(dòng)[4]。因此在研究制定具體的轉(zhuǎn)移時(shí)間控制要求過(guò)程中，一定要同時(shí)充分驗(yàn)證和評(píng)估對(duì)應(yīng)的裝備和環(huán)境條件對(duì)材料淬火冷卻前的溫度影響程度。

本文中關(guān)于淬火后停放時(shí)間的研究，是在基本工藝流程以及要求確定的條件下進(jìn)行的，如淬火后的去應(yīng)力矯直拉伸過(guò)程均有確定的控制要求。因此生產(chǎn)和工藝技術(shù)管理者在研究制定淬火后停放時(shí)間要求時(shí)，不能忽略期間的其他工藝流程對(duì)最終性能的影響。淬火后的去應(yīng)力拉伸過(guò)程中，拉伸率的控制不同，勢(shì)必會(huì)對(duì)材料性能造成不同程度的影響[9]；淬火和拉伸的時(shí)間間隔，也會(huì)對(duì)拉伸去應(yīng)力效果造成影響從而影響到最終性能[2]。因此在研究制定具體的淬火后停放時(shí)間過(guò)程中，一定要同時(shí)充分驗(yàn)證和評(píng)估其他工藝流程對(duì)最終性能的影響。

4 結(jié)論

（1）7475 鋁合金的力學(xué)性能基本不隨淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間（在60 s之內(nèi)）的延長(zhǎng)而降低。

（2）7475 鋁合金的力學(xué)性能基本不受淬火后停放時(shí)間的影響。

（3）7475 鋁合金對(duì)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間和停放時(shí)間不敏感的原因在于其淬火后形成的析出相的臨界核心相對(duì)穩(wěn)定。