固溶處理對(duì)7475 鋁合金組織和拉伸性能的影響

李茂華，陳志龍，徐伊雯，盧立偉，楊延清

(1.湖南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

7xxx 系超強(qiáng)鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、韌性好、熱加工性能好、抗腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1].7xxx 系鋁合金在服役過(guò)程中常由于強(qiáng)韌性不夠而產(chǎn)生裂紋，甚至出現(xiàn)斷裂.因此，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高韌7xxx 系鋁合金仍然是當(dāng)今的研究熱點(diǎn).目前科研工作者主要通過(guò)優(yōu)化合金成分[2-3]、開(kāi)發(fā)先進(jìn)的塑性成形技術(shù)[4-5]、改進(jìn)熱處理工藝[6-17]、成形技術(shù)/熱處理協(xié)同調(diào)控[18-19]等方式對(duì)鋁合金增強(qiáng)增韌.其中，熱處理是改善鋁合金力學(xué)性能最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一.

文獻(xiàn)[6-17]表明鋁合金的固溶工藝對(duì)后續(xù)的時(shí)效處理有重要影響.李芳等[8]研究了固溶時(shí)間對(duì)7050 鋁合金擠壓材料拉伸性能的影響，結(jié)果表明7050 鋁合金經(jīng)470 ℃/30 min 單級(jí)固溶+峰值時(shí)效后抗拉強(qiáng)度最佳.Zhang 等[9]研究了接觸固溶處理對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 合金峰值時(shí)效的影響，發(fā)現(xiàn)接觸固溶處理可以縮短峰值時(shí)效時(shí)間并提高合金的強(qiáng)度.Meng 等[10]研究了固溶處理對(duì)Al-27Zn-1.5Mg-1.2Cu-0.08Zr 鋁合金自然時(shí)效的影響，發(fā)現(xiàn)高Zn含量的鋁合金最佳固溶溫度為400 ℃，自然時(shí)效后由于大量細(xì)小彌散的η′相形成，拉伸性能最好.徐春杰等[11]發(fā)現(xiàn)三級(jí)固溶處理(450 ℃/2 h+465 ℃/1 h+475 ℃/1.5 h)和三級(jí)時(shí)效處理(120 ℃/24 h+175 ℃/1.5 h+120 ℃/24 h) 后7055 鋁合金的拉伸性能明顯提高.孫文會(huì)等[12]研究了固溶處理對(duì)7136鋁合金組織和性能的影響，結(jié)果表明經(jīng)450 ℃/4 h+470 ℃/8 h 雙級(jí)固溶處理后，合金T6 態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最佳，且伸長(zhǎng)率得到顯著提升.

7475 鋁合金綜合性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼蒙皮、中心機(jī)翼結(jié)構(gòu)，翼梁和艙壁[1].目前關(guān)于固溶處理對(duì)7475 鋁合金微觀組織和拉伸性能的影響研究較少.為此本文采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和TEM，開(kāi)展固溶制度對(duì)7475 鋁合金板材微觀組織和拉伸性能的影響研究，旨在為7475 鋁合金在航空工業(yè)上的廣泛應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)選用北京航空材料研究院提供的7475-T761 鋁合金板材，名義成分為Al-6.2Zn-2.6Mg-1.9Cu-0.25Cr-0.06Mn-0.06Ti-0.1Si-0.12Fe(w/%)，其σb、σ0.2和δ分別為424 MPa、487 MPa 和11.1%[20].將試樣放入SX-4-10 型箱式電阻爐進(jìn)行不同工藝的固溶處理，隨后進(jìn)行室溫水淬，最后進(jìn)行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級(jí)時(shí)效.試樣編號(hào)及固溶處理工藝見(jiàn)表1.

表1 樣品編號(hào)及固溶處理工藝Tab.1 Sample number and solution treatment

室溫拉伸試驗(yàn)在MT5105 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行.拉伸試樣沿板材縱向截取.透射電鏡測(cè)試樣品首先機(jī)械研磨至70 μm 左右，然后沖成直徑為3 mm 的圓片，最后在雙噴電解減薄儀上雙噴電解減薄.電解液選用30% HNO3+70%CH3OH混合液.在Tecnai F30 G2場(chǎng)發(fā)射透射電鏡上進(jìn)行基體析出相(Matrix precipitates,MPt)、晶界析出相(Grain boundary precipitates,GBP)和晶界無(wú)析出帶(Precipitation free zone,PFZ)的觀察.采用nano measure 程序統(tǒng)計(jì)MPt 平均半徑、GBP 平均長(zhǎng)度和PFZ 平均寬度.

2 結(jié)果與討論

2.1 單級(jí)固溶處理對(duì)拉伸性能和微觀組織的影響圖1 為單級(jí)固溶對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖1 可以看出，單級(jí)固溶制度分別為470 ℃/40 min、480 ℃/40 min 和490 ℃/40 min 時(shí)，隨著固溶溫度升高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先升后降，伸長(zhǎng)率單調(diào)上升.7475 鋁合金最佳的單級(jí)固溶工藝為480 ℃/40 min，在此制度下固溶并進(jìn)行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級(jí)時(shí)效后，合金的σb、σ0.2和δ分別為495 MPa、449 MPa 和12.6%.

圖1 單級(jí)固溶對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.1 Effect of single-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

圖2 為7475 鋁合金單級(jí)固溶+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像.對(duì)比圖2(a)～(f)，可以看出7475 鋁合金經(jīng)過(guò)480 ℃/40 min 單級(jí)固溶再進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效，MPt 平均半徑為7.29 nm，更細(xì)小彌散；GBP 均呈斷續(xù)分布，平均長(zhǎng)度為44.78 nm；PFZ 平均寬度為60.05 nm.與其它單級(jí)固溶制度相比，MPt 平均半徑、GBP 平均長(zhǎng)度和PFZ 平均寬度均略有下降.

圖2 7475 鋁合金單級(jí)固溶+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像[ (a)(b) 470 ℃/40 min；(c)(d) 480 ℃/40 min；(e)(f) 490 ℃/40 min]Fig.2 BF-TEM images of 7475 Al alloy after single-stage solution+dual-stage aging

Al-Zn-Mg-Cu 系高強(qiáng)鋁合金主要通過(guò)時(shí)效析出來(lái)強(qiáng)化，而固溶處理對(duì)時(shí)效強(qiáng)化效果是非常重要的.鋁合金在高溫固溶后淬火，使基體內(nèi)形成過(guò)飽和固溶體，在時(shí)效處理過(guò)程中，過(guò)飽和固溶體分解析出強(qiáng)化相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提升合金強(qiáng)度[21].

合金在時(shí)效處理過(guò)程中，過(guò)飽和固溶體將突破時(shí)效強(qiáng)化相的臨界析出能壘，從而析出溶質(zhì)原子.從過(guò)飽和固溶體中析出強(qiáng)化相的驅(qū)動(dòng)力為[21-23]：

式中：

ΔFV——析出驅(qū)動(dòng)力，J/m3；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

NA——阿伏伽德羅常數(shù)，阿伏伽德羅常數(shù)，6.022×1023mol-1；

T——時(shí)效溫度，K；

V——原子體積，m3；

ct——基體在t時(shí)刻溶質(zhì)濃度，mol/m3；

ce——基體平衡溶質(zhì)濃度，mol/m3.

由式(1)可以得出，固溶度ct越高析出相析出驅(qū)動(dòng)力ΔFV越大.當(dāng)固溶溫度升高時(shí)，基體固溶度隨之增加.即固溶溫度越高，析出驅(qū)動(dòng)力越大.

單級(jí)固溶制度為470 ℃/40 min 時(shí)，固溶不充分，故時(shí)效后合金的MPt 數(shù)量相對(duì)較少，強(qiáng)度相對(duì)低；經(jīng) 490 ℃/40 min 固溶處理后，晶粒長(zhǎng)大，晶界有輕微的過(guò)燒，晶界寬化，進(jìn)而使合金的強(qiáng)度下降[16]；經(jīng) 480 ℃/40 min 固溶處理后，第二相溶解相對(duì)最徹底，故雙級(jí)時(shí)效后強(qiáng)度最高.

2.2 雙級(jí)固溶對(duì)拉伸性能和微觀組織的影響第一級(jí)固溶制度為470 ℃/40 min，分別在490 ℃、495 ℃和500 ℃進(jìn)行第二級(jí)固溶.圖3 為第二級(jí)固溶時(shí)間對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖3 可以看出，隨著第二級(jí)固溶時(shí)間延長(zhǎng)強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì).7475 鋁合金最佳的雙級(jí)固溶制度為470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下固溶并進(jìn)行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級(jí)時(shí)效，合金的σb、σ0.2和δ分別為499 MPa、454 MPa 和12.9%.

圖3 第二級(jí)固溶時(shí)間對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.3 Effect of the secondary solution time on tensile properties of 7475 Al alloy

圖4 為7475 鋁合金第二級(jí)固溶溫度為490 ℃時(shí)，固溶不同時(shí)間+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像.對(duì)比圖4(a)～(f)，可以看出第二級(jí)固溶時(shí)間為25 min時(shí)，雙級(jí)時(shí)效后MPt 更細(xì)更密，GBP 平均長(zhǎng)度和PFZ 平均寬度均有小幅度下降.當(dāng)?shù)诙?jí)固溶時(shí)效從20 min 增加到25 min，MPt 平均半徑下降了0.55 nm，GBP 平均長(zhǎng)度下降了1.41 nm，PFZ 平均寬度減少了2.37 nm.

圖4 7475 鋁合金第二級(jí)固溶溫度為490 ℃時(shí)，固溶不同時(shí)間+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.4 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 490 ℃ for different time+dual-stage aging

第二級(jí)固溶溫度為495 ℃時(shí)，第二級(jí)固溶時(shí)間對(duì)拉伸性能和微觀組織的影響與490 ℃時(shí)基本類(lèi)似，即表1 中7#、8#和9#樣品的拉伸性能和微觀組織與4#、5#和6#樣品的變化不大，故文中不再贅述.

圖5 為7475 鋁合金第二級(jí)固溶溫度為500 ℃時(shí)，固溶不同時(shí)間+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像.對(duì)比圖5(a)～(f)，隨著第二級(jí)固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，固溶更加充分，固溶度更高.當(dāng)?shù)诙?jí)固溶時(shí)效從15 min增加到25 min，MPt 平均半徑下降了1.14 nm，GBP平均長(zhǎng)度減小了2.24 nm，PFZ 平均寬度減少了2.85 nm，故合金的強(qiáng)度增高.

圖5 7475 鋁合金第二級(jí)固溶溫度為500 ℃時(shí)，固溶不同時(shí)間+雙級(jí)時(shí)效后的BF-TEM 圖像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.5 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 500 ℃ for different time+dual-stage aging

圖6 為第二級(jí)固溶溫度對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖6 可以看出，第二級(jí)固溶時(shí)間為20 min 時(shí)，隨著第二級(jí)固溶溫度的升高，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加，而伸長(zhǎng)率降低.從圖4(c)、(d)和圖5(c)、(d)可以看出，隨著第二級(jí)固溶溫度的提高，MPt 更細(xì)小，平均半徑降幅0.64 nm；GBP更短，平均長(zhǎng)度減小1.6 nm；PFZ 更窄，平均寬度減少2.63 nm.故強(qiáng)度更高，延伸率略有下降.

圖6 第二級(jí)固溶溫度對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.6 Effect of second-stage solution temperature on tensile properties of 7475 aluminum alloy

假設(shè)時(shí)效析出相為球形，時(shí)效強(qiáng)化析出相的臨界析出半徑可表達(dá)為[21-23]：

式中：

r*為臨界形核半徑，m；

γ為粒子與基體界面能，J/m2.

由式(2)可以看出，合金固溶度Ct越高析出相的臨界形核半徑r*越小.

在時(shí)效析出過(guò)程中，即析出相的形核與生長(zhǎng)階段，析出相形核率根據(jù)文獻(xiàn)[21-23]可簡(jiǎn)化為：

式中：

N˙為形核率，s-1·m-3；

N0為單位體積的原子數(shù)，m-3；

τ為孕育時(shí)間，s；

ΔG*為臨界形核激活能，J；

k為波茲曼常數(shù)，1.381×10-23J/K.

由式（3）可以看出，固溶度ct越高形核率越高.

雙級(jí)固溶時(shí)，通過(guò)第一級(jí)470 ℃低溫固溶處理溶解了合金中的低熔點(diǎn)共晶組織，從而提高了剩余相的共晶溫度，使得即使提高第二級(jí)固溶溫度也不發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象.隨著第二級(jí)固溶溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，殘余相回溶入Al 基體，固溶度提高，析出相的臨界形核半徑減小，形核率增加.

2.3 單級(jí)固溶與雙級(jí)固溶對(duì)拉伸性能和微觀組織的影響圖7 為單級(jí)固溶(470 ℃/40 min)與雙級(jí)固溶(470 ℃/40 min+500 ℃/25 min)對(duì)合金拉伸性能的影響.從圖7 可以看出，雙級(jí)固溶+雙級(jí)時(shí)效后強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均增加，σb、σ0.2和δ分別提高了1.4%、1.6%和4.9%.對(duì)比圖2(a)、(b)與圖5(e)、(f)可以看出，雙級(jí)固溶后時(shí)效處理，晶界清晰，無(wú)過(guò)燒現(xiàn)象.MPt 更細(xì)小彌散，平均半徑下降了1.50 nm，GBP 平均長(zhǎng)度降幅3.02 nm，PFZ 平均寬度減小了4.16 nm.故強(qiáng)度更高，且延伸率略有增加.

圖7 單級(jí)固溶與雙級(jí)固溶對(duì)7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.7 Effect of single-stage solution and double-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

綜合式(1)～(3)，隨著合金固溶度增加，析出相的析出驅(qū)動(dòng)力增大、基體析出相形核率增加，析出相析出的臨界形核半徑減少，使得基體更容易析出數(shù)量多且細(xì)小彌散的析出相，從而增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化效果，提升合金強(qiáng)度[15-16].

3 結(jié)論

(1) 7475 鋁合金最佳的單級(jí)固溶工藝為480 ℃/40 min，在此制度下單級(jí)固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級(jí)時(shí)效處理，合金的σb、σ0.2和δ分別為495 MPa、449 MPa 和12.6%.

(2) 7475 鋁合金最佳的雙級(jí)固溶工藝為470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下雙級(jí)固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級(jí)時(shí)效處理，合金的σb、σ0.2和δ分別為499 MPa、454 MPa 和12.9%，與單級(jí)固溶后雙級(jí)時(shí)效處理相比，強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所提高.且MPt 細(xì)小彌散，GBP 呈斷續(xù)分布，PFZ 較窄.

(3) 隨著第二級(jí)固溶溫度的提高，合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均有明顯提升，伸長(zhǎng)率略微下降.