7055鋁合金環(huán)形模鍛件熱處理工藝研究

解豪杰,岳戰(zhàn)國,王亞安,楊瑞瑞,許嘉平

(西安航空制動(dòng)科技有限公司,陜西 興平 713100)

近年來,隨著國內(nèi)鍛造行業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展以及新產(chǎn)品的不斷研發(fā),市場(chǎng)對(duì)鋁合金鍛件產(chǎn)品性能的要求也在不斷提高,傳統(tǒng)2系鋁合金已無法滿足使用要求。7055噴射成型鋁合金為7系超硬鋁合金,與傳統(tǒng)2系鋁合金相比,7055鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和硬度等均有明顯提升,其擠壓棒材順流線方向抗拉強(qiáng)度可超過660 MPa[1],具有極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。因此,7055鋁合金已逐漸取代傳統(tǒng)2系鋁合金用于制造高強(qiáng)度鋁合金金鍛件,用于制造飛機(jī)上翼蒙皮、水平尾翼、貨運(yùn)滑軌等[2-3]。本文通過多次熱處理生產(chǎn)試驗(yàn),對(duì)7055鋁合金模鍛件熱處理工藝方案進(jìn)行研究。

1 熱處理方案

1.1 淬火制度

7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金,其主要成分為Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Cr、Zr、V、Ti、B 、Fe、Si等,含有多種合金元素,且合金含量遠(yuǎn)超2系鋁合金,其化學(xué)成分見表1。

表1 7055鋁合金化學(xué)成分[4]Table 1 Chemical composition of 7055 aluminum alloy

7055鋁合金為可熱處理強(qiáng)化型鋁合金,淬火時(shí)得到過飽和固溶體,然后在時(shí)效過程中析出第二相,從而達(dá)到強(qiáng)化的效果。其過飽和程度與固溶程度有關(guān),提高固溶程度可增強(qiáng)過飽和程度,從而達(dá)到提升鍛件力學(xué)性能的目的。經(jīng)查閱資料,采用雙級(jí)強(qiáng)制固溶處理和連續(xù)升溫固溶處理技術(shù)可有效提高固溶效果,增大強(qiáng)化相的過飽和度,是提高7系超高強(qiáng)度鋁合金綜合性能的有效途徑。

1.2 時(shí)效制度

7系鋁合金時(shí)效制度有單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效。其中單級(jí)時(shí)效又稱一級(jí)時(shí)效,7055鋁合金通過一級(jí)時(shí)效可使鋁合金晶內(nèi)析出細(xì)小的共格或半共格彌散相,晶界間分布較為粗大的連續(xù)鏈狀質(zhì)點(diǎn),雖其強(qiáng)度可達(dá)到最高值(T6狀態(tài)),但其對(duì)應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕極為敏感,不能適用于部分鍛件的使用要求[5]。

雙級(jí)時(shí)效又稱二級(jí)時(shí)效,其效果是通過犧牲部分強(qiáng)度性能,提高鍛件抗應(yīng)力腐蝕性能。其相應(yīng)的熱處理制度包括T73、T74等。雙級(jí)時(shí)效的第一級(jí)時(shí)效為低溫時(shí)效,第二級(jí)為高溫時(shí)效。低溫時(shí)效相當(dāng)于形核階段,通過低溫時(shí)效可保證材料在高溫時(shí)效時(shí)均勻析出細(xì)小強(qiáng)化相,不會(huì)造成強(qiáng)化相偏析。在保證一定抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,提升鍛件的應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕性能。

通過上述分析可知,7055噴射成型鋁合金的熱處理制度應(yīng)具有雙級(jí)淬火+雙級(jí)人工時(shí)效,屬T7系列過時(shí)效熱處理方案。

2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

采用多批次7055鋁合金材料進(jìn)行熱處理試驗(yàn),其毛坯均為自由鍛出坯后進(jìn)行等溫鍛造生產(chǎn)。使用設(shè)備均為底開式鋁合金淬火爐和底開式鋁合金時(shí)效爐,爐溫均勻性均滿足Ⅱ類加熱爐要求。7055鋁合金鍛件采用雙級(jí)淬火+雙級(jí)時(shí)效制度,通過參考7050、7075鋁合金熱處理制度及參數(shù),制定了不同的熱處理方案,具體的熱處理工藝參數(shù)見表2。熱處理后在鍛件不同部位取樣,采用萬能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。鍛件取樣位置如圖1所示,其中1#取樣位置為高向,2#取樣位置為橫向。

圖1 鍛件取樣位置Fig.1 Sampling location of forgings

表2 7055鋁合金鍛件的熱處理方案Table 2 Heat treatment scheme for 7055 aluminum alloy forgings

2.1 方案1試驗(yàn)結(jié)果

采用方案1熱處理后,7055鋁合金鍛件力學(xué)性能見表3。由表3可知,鍛件1#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為500 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為444 MP,延伸率平均值為9.3%;鍛件2#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為513.6 MP,屈服強(qiáng)度平均值為460 MP,延伸率平均值為11%。與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34480—2017《噴射成型錠坯鍛制的鋁合金鍛件》中的力學(xué)性能相差較大,需對(duì)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表3 7055鋁合金鍛件的力學(xué)性能(方案1)Table 3 Mechanical properties of 7055 aluminum alloy forgings by scheme 1

2.2 方案2試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)方案1試驗(yàn)的力學(xué)性能結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)鍛件固溶效果較差,強(qiáng)化效果不明顯, 判斷為強(qiáng)化相析出不足,最終導(dǎo)致鍛件強(qiáng)度沒有達(dá)到預(yù)期效果。為了提高鍛件的強(qiáng)度,在方案1的基礎(chǔ)上,方案2提高一級(jí)淬火溫度、延長二級(jí)淬火保溫時(shí)間和縮短二級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間,具體工藝參數(shù)見表2。

采用方案2熱處理后,7055鋁合金鍛件力學(xué)性能見表4。

表4 7055鋁合金鍛件的力學(xué)性能(方案2)Table 4 Mechanical properties of 7055 aluminum alloy forgings by scheme 2

由表4可知,鍛件1#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為552.5 MPa、最高為562 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為526.75 MPa、最高為537 MPa,延伸率平均值為9.4%、最高為11.0%;鍛件2#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為595.58 MPa、最高為617 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為568.59 MPa、最高為601 MPa,延伸率平均值為9.79%、最高為12.5%。與方案1相比,鍛件性能有明顯提升,但在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)2件試驗(yàn)件在熱處理后出現(xiàn)開裂。經(jīng)失效分析,該開裂現(xiàn)象屬熱處理淬火應(yīng)力過大導(dǎo)致的延晶開裂[6]。由于方案2存在缺陷,無法用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),需要對(duì)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)一步改進(jìn)。

2.3 方案3試驗(yàn)結(jié)果

采用方案2熱處理后7055鋁合金鍛件力學(xué)性能有明顯提升,但存在開裂問題。通過對(duì)鍛件熱處理過程進(jìn)行工藝仿真,發(fā)現(xiàn)鍛件開裂的主要原因是淬火水溫過低,鍛件部分位置應(yīng)力集中而造成開裂。另外,鍛件二級(jí)淬火溫度過高,接近過熱溫度,也可能會(huì)造成鍛件開裂。因此,在方案2的基礎(chǔ)上,方案3降低二級(jí)淬火溫度、提高淬火水溫,具體工藝參數(shù)見表2。

采用方案3熱處理后,7055鋁合金鍛件力學(xué)性能見表5。

表5 7055鋁合金鍛件的力學(xué)性能(方案3)Table 5 Mechanical properties of 7055 aluminum alloy forgings by scheme 3

由表5可知,鍛件1#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為517.12 MPa、最高為531 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為482.08 MPa、最高為501 MPa,延伸率平均值為8.63%、最高為11.0%;鍛件2#位置的抗拉強(qiáng)度平均值為564.75 MPa、最高為588 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為527.25 MPa、最高為556 MPa,延伸率平均值為9.42%,最高為10.0%。與方案2相比,鍛件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均略有下降,但其生產(chǎn)過程中未發(fā)生開裂,滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求。

3 結(jié)論

7055鋁合金環(huán)形模鍛件采用雙級(jí)淬火+雙級(jí)時(shí)效的T73熱處理制度:雙級(jí)淬火450 ℃×180 min+470 ℃×200 min,60 ℃水冷;雙級(jí)人工時(shí)效115 ℃×12 h+155 ℃×30 h,空冷。鍛件高向的抗拉強(qiáng)度平均值為517.12 MPa、最高為531 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為482.08 MPa、最高為501 MPa,延伸率平均值為8.63%、最高為11.0%;鍛件橫向的抗拉強(qiáng)度平均值為564.75 MPa、最高為588 MPa,屈服強(qiáng)度平均值為527.25 MPa、最高為556 MPa,延伸率平均值為9.42%,最高為10.0%,其力學(xué)性能優(yōu)異。