Al-Zn-Mg-Cu合金加工過程組織演變研究

汲慶濤， 楊慧， 趙忠超， 史曉明， 孫有政，3

（1.山東南山科學(xué)技術(shù)研究院有限公司山東省鋁合金壓力加工技術(shù)創(chuàng)新中心，龍口 264000；2.山東南山鋁業(yè)有限公司國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，龍口 264000；3.煙臺(tái)南山學(xué)院工學(xué)院，龍口 264000）

0 前言

7 ××× 系鋁合金由于具有強(qiáng)度高、塑性好、比強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和建筑等領(lǐng)域[1-3]。眾所周知，固溶和時(shí)效處理是Al-Zn-Mg-Cu 合金獲得優(yōu)異綜合性能的關(guān)鍵步驟[4-5]。Al-Zn-Mg-Cu 合金在固溶處理時(shí)，可溶相可以重溶到基體中，形成過飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效處理作準(zhǔn)備[6]。合金在T6時(shí)效處理后，會(huì)在晶內(nèi)形成較細(xì)小且分布均勻的GP 區(qū)和η′析出相，晶界上存在連續(xù)析出相，使合金具有較高的強(qiáng)度，但抗應(yīng)力腐蝕（SCC）性能較差[7]。合金經(jīng)過T7X 雙級(jí)過時(shí)效處理后，晶界析出相會(huì)變粗、不連續(xù)，從而提高合金的抗SCC性能[8-9]。同時(shí)，合金經(jīng)過T7X處理后，晶內(nèi)的析出相也變得更粗，與采用T6 時(shí)效相比，合金強(qiáng)度降低了10%～15%。為了提高合金的綜合性能，提出了回歸再時(shí)效（RRA）熱處理工藝，該工藝與T7X工藝一樣，使合金具有較好的耐腐蝕性，同時(shí)保持與T6相似的強(qiáng)度水平[10]。

雖然目前對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金擠壓型材在單個(gè)生產(chǎn)工藝上進(jìn)行了大量研究，如T6、T7X等時(shí)效工藝[11-12]，但比較缺乏多個(gè)工藝聯(lián)系起來(lái)的系統(tǒng)性研究，而擠壓材料的性能與合金成分，以及均質(zhì)、擠壓、固溶、時(shí)效等一系列工藝有關(guān)[13-14]。因此，本研究圍繞Al-Zn-Mg-Cu 合金均質(zhì)、擠壓、固溶和時(shí)效處理后微觀組織，對(duì)每一步工藝的組織進(jìn)行了表征，研究了Al-Zn-Mg-Cu 合金在熱處理過程中組織的演變。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Al-Zn-Mg-Cu 系7175 鋁合金，厚度約30 mm，化學(xué)成分見表1。鑄棒經(jīng)473 ℃/24 h均質(zhì)后在加熱爐中加熱到420 ℃，采用反向擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，擠壓后空冷至室溫，后續(xù)采用475 ℃/2.5 h固溶淬火和120 ℃/12 h+165 ℃/5 h 雙級(jí)過時(shí)效熱處理工藝。本文分別對(duì)均質(zhì)、擠壓、固溶及時(shí)效后型材進(jìn)行取樣研究。

表1 7175合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用Jmatpro軟件對(duì)合金的平衡相進(jìn)行計(jì)算。為觀察試樣晶粒形態(tài)和第二相分布，采用100#、800#、1200#砂紙打磨后，進(jìn)行拋光得到平整光亮的表面，然后用Keller 試劑對(duì)其進(jìn)行腐蝕，在Axio Imager M2m 金相顯微鏡和FEI NOVA NANOSEM 450掃描電子顯微鏡下對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。采用JEM 2100F 透射電子顯微鏡觀察晶內(nèi)和晶間第二相。為保證透射樣品具有良好的效果，先用線切割切成2 mm 薄片，然后減薄至50 μm，沖成?3 mm小圓，最后雙噴減薄。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金中熱力學(xué)平衡相

通過JmatPro 軟件計(jì)算的7175鋁合金平衡相組成如圖1所示。從圖1（a）中可以看該相出，隨著溫度降低，661 ℃首先析出Al7Cr相，隨后該相又重新溶入到基體中。固相線溫度以下從525 ℃開始合金發(fā)生固態(tài)相變，從α（Al）固溶體中依次析出AlCrMgMn相、Mg2Si 相、Al6Mn 相、Al2CuMg 相、MgZn2相和AlCuMgZn 相，析出溫度分別為525 ℃、520 ℃、467 ℃、448 ℃、402 ℃和251 ℃。根據(jù)圖1（b）可知，該鋁合金在室溫下的平衡相組成約為87.41%α （Al）、7.31%MgZn2相、2.50%AlCuMgZn 相、1.31% AlCrMgMn 相、 0.74% Al6Mn 相、 0.55%Al2CuMg相和0.16%Mg2Si相。對(duì)于Al-Zn-Mg-Cu系合金來(lái)說，MgZn2相為主要的強(qiáng)化相，選擇475 ℃作為固溶溫度，該固溶溫度下，鋁合金中的大部分相均能固溶到Al 基體中，AlCrMgMn 相和Mg2Si 相形成溫度較高，較難溶于基體中。AlCrMgMn 相能在合金組織內(nèi)彌散分布，起到釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，細(xì)化晶粒的作用[15]。Mg2Si 相為初生相，在鋁合金中主要為雜質(zhì)相，會(huì)對(duì)合金的性能造成不利的影響，相含量通常隨著Si元素的含量降低而降低。

圖1 7175鋁合金平衡相組成

2.2 OM及SEM組織分析

圖2 為7175 鋁合金在不同狀態(tài)下的顯微組織，圖2（a）為均質(zhì)態(tài)組織，可以看出鑄錠經(jīng)過均質(zhì)后晶間的第二相較少，晶粒尺寸在200 μm左右。圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）分別為擠壓態(tài)組織、固溶態(tài)組織和時(shí)效態(tài)組織，可以看出7175 擠壓后組織主要呈現(xiàn)纖維狀晶粒組織，在擠壓和后續(xù)的固溶時(shí)效處理過程中，沒有發(fā)生明顯的再結(jié)晶，一直保持金屬流線組織。擠壓態(tài)含有的第二相較多，不僅在晶界處存在大顆粒第二相，還在晶內(nèi)彌散分布小顆粒第二相。合金經(jīng)過475 ℃/2.5 h 固溶處理后，彌散分布的第二相重新溶入到基體中，在晶界處存在呈鏈狀分布且破碎的未溶相，固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)在光鏡下的組織沒有明顯差異。

圖2 7175鋁合金型材顯微組織

圖3 是7175 鋁合金在不同狀態(tài)下的SEM 組織。圖3（a）為均質(zhì)態(tài)的SEM 組織，可以看出晶界處偏聚著4種相，分別為黑色、淺灰色、深灰色和亮白色。晶內(nèi)彌散分布條狀和圓點(diǎn)狀析出相。圖3（b）為擠壓態(tài)的SEM 組織，可以看出，經(jīng)過擠壓變形后，組織中的第二相破碎，并沿著擠壓方向排列。圖3（c）、圖3（d）分別為固溶和時(shí)效處理后的SEM 組織，組織中彌散分布的第二相，經(jīng)過固溶處理后重新溶入到基體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，時(shí)效態(tài)的SEM組織與固溶態(tài)差別不大。表2為能譜分析結(jié)果，能譜顯示均質(zhì)態(tài)晶界處的黑色相為Mg2Si相，淺灰色相為Al7Cu2Fe 相，深灰色相為Al2CuMg相，亮白色相為AlCuMgZn相，晶內(nèi)彌散分布的條狀和圓點(diǎn)狀第二相為MgZn2[16]。擠壓態(tài)合金的組織內(nèi)沿著擠壓方向分布著大量的AlCuMgZn 相，經(jīng)過475 ℃/2.5 h固溶處理后，鋁合金組織中殘留的第二相主要為Al2CuMg、Al7Cu2Fe相及少量的Mg2Si相。

表2 能譜分析結(jié)果

Fe、Si元素在7×××系合金中為雜質(zhì)元素，熔煉過程中Fe、Si雜質(zhì)元素在枝晶間偏聚，生成結(jié)晶相Al7Cu2Fe 和Mg2Si 相，可以通過控制熔煉過程中的凝固速度、雜質(zhì)元素含量、細(xì)化劑添加速度等來(lái)控制合金中結(jié)晶相尺寸[17]，后續(xù)可通過合理的均勻化工藝來(lái)減少雜質(zhì)相的有害影響[18]。

2.3 TEM組織分析

7175 鋁合金擠壓態(tài)TEM 照片結(jié)果如圖4 所示，晶內(nèi)存在三種形態(tài)的相，分別為長(zhǎng)桿狀、圓球狀、圓棒狀。能譜結(jié)果顯示長(zhǎng)桿狀為MgZn2相，圓球狀和圓棒狀為同一種相，結(jié)合圖1計(jì)算結(jié)果，分析為AlCrMgMn 相。擠壓態(tài)合金晶界連續(xù)，晶界上同樣存在AlCrMgMn 相，可以看出AlCrMgMn 起到釘扎晶界和亞晶界的作用。

圖4 擠壓態(tài)7175鋁合金型材TEM組織及能譜

7175 鋁合金固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)TEM 照片結(jié)果如圖5所示。圖5（a）為固溶態(tài)TEM組織，可以看出晶內(nèi)和晶界的彌散相均為AlCrMgMn 相，晶內(nèi)無(wú)其他沉淀相，說明7175 合金在475 ℃下保溫2.5 h 可以使MgZn2相重新溶入到基體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。圖5（b）為時(shí)效態(tài)TEM 組織，可以看出，鋁合金在時(shí)效態(tài)下晶內(nèi)存在三種析出相，分別為AlCrMgMn 彌散相、板狀析出相和大量圓球狀析出相。晶內(nèi)存在的大量彌散圓球狀顆粒為η′相[19]，平均尺寸為8～15 nm，圓球狀析出相由GP 區(qū)演化而來(lái)，與基體半共格。晶內(nèi)的板狀析出相為η 相，尺寸較大，長(zhǎng)度為20～35 nm，寬度在5 nm 左右，化學(xué)組成為MgZn2。120 ℃/12 h+165 ℃/5 h 雙級(jí)時(shí)效會(huì)使η ′ 相轉(zhuǎn)變、長(zhǎng)大為η 相，與基體不共格，產(chǎn)生的強(qiáng)化作用沒有η′相大[20]。晶界析出相為MgZn2相，尺寸較晶內(nèi)大，斷續(xù)分布，尺寸在50 nm左右，PFZ寬度為35～45 nm。

圖5 7175鋁合金型材TEM組織

微觀組織中晶內(nèi)彌散的AlCrMgMn 相，可以控制亞晶粒尺寸，阻止再結(jié)晶的產(chǎn)生。時(shí)效態(tài)晶界處析出相為MgZn2相，結(jié)合圖4，MgZn2相中存在微量Cu 元素，MgZn2相在晶界斷續(xù)分布造成Cu 元素在晶界上的聚集，可以降低晶界與基體之間的電位差，降低合金的腐蝕敏感性。同時(shí)不連續(xù)的晶界析出相也可以降低合金的腐蝕敏感性[21]，可以看出，7175鋁合金經(jīng)過雙級(jí)時(shí)效熱處理后，其抗腐蝕性能提高，同時(shí)晶內(nèi)存在MgZn2相，晶界處的無(wú)沉淀析出帶（PFZ）較寬，可以驗(yàn)證合金為過時(shí)效狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）7175 鋁合金熱力學(xué)平衡相由AlCrMgMn相、Mg2Si 相、Al6Mn 相、Al2CuMg 相、MgZn2相和AlCuMgZn 相組成，實(shí)際狀態(tài)下還含有少量的雜質(zhì)相Al7Cu2Fe相。

（2）7175 鋁合金在擠壓、固溶和時(shí)效后組織主要呈現(xiàn)纖維狀晶粒組織。475 ℃/2.5 h固溶處理后小尺寸的第二相基本回溶，未溶相為Al7Cu2Fe 相、Mg2Si相及少量Al2CuMg相。

（3）彌散相AlCrMgMn 相在擠壓變形的過程中起到釘扎晶界、細(xì)化晶粒的作用。120 ℃/12 h+165 ℃/5 h 雙級(jí)時(shí)效后，晶內(nèi)沉淀相為圓球狀顆粒η′相和少量板狀η 相，晶界析出相MgZn2斷續(xù)分布，晶界PFZ寬度為35～45 nm之間。