王瑞雪

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

7×××系（Al-Zn-Mg-Cu）鋁合金是在Al-Zn-Mg 系鋁合金基礎(chǔ)上添加Cu 元素發(fā)展起來(lái)的[1]，由于具有高強(qiáng)度、良好的成形性能和焊接性能，目前已廣泛應(yīng)用于軌道車(chē)輛、大型建筑物和航空航天領(lǐng)域[2-4]。由于其淬火敏感性低，適用于大規(guī)格厚板及鍛件的生產(chǎn)，特別是7×××系預(yù)拉伸厚板已廣泛用于美國(guó)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22和F35的主體構(gòu)件中，并大量應(yīng)用于Boeing777客機(jī)中，主要用作飛機(jī)的機(jī)身框架、翼梁和尾翼等部件[5]。

當(dāng)7×××系鋁合金厚度截面出現(xiàn)局部“色差”現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使材料強(qiáng)度、硬度、疲勞等性能明顯降低，對(duì)產(chǎn)品最終使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，本文對(duì)7×××系鋁合金厚板截面局部“色差”缺陷進(jìn)行分析，查找其產(chǎn)生的根本原因，并提出針對(duì)性的解決措施。

1 樣品來(lái)源及檢測(cè)設(shè)備

從某廠(chǎng)取了一個(gè)120mm 厚的7×××系（Al-Zn-Mg-Cu）鋁合金板材。據(jù)了解，該廠(chǎng)對(duì)試樣進(jìn)行低倍氧化膜檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品受檢面靠板材表面存在深度約4mm的“局部色差”現(xiàn)象。

檢測(cè)分析設(shè)備為萊卡金相顯微鏡、日立S-3400掃描電鏡、牛津能譜儀、HVS-5小負(fù)荷維氏硬度計(jì)及Sigma 2008數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)儀。

2 電鏡觀(guān)察及性能測(cè)試

2.1 顯微組織觀(guān)察

在樣品“色差”部位取樣磨制高倍試樣，其典型顯微組織見(jiàn)圖1；樣品的電鏡形貌如圖2所示，能譜結(jié)果見(jiàn)表1、表2。由圖1可知，樣品未見(jiàn)冶金缺陷，未見(jiàn)過(guò)燒現(xiàn)象；由圖1、圖2可知，樣品正常部位組織均勻，“色差”部位較正常部位析出相數(shù)量偏多。能譜結(jié)果顯示，樣品“色差”部位與正常部位微區(qū)成分相差不大。

表1 色差部位能譜結(jié)果

表2 其余部位能譜結(jié)果

2.2 維氏硬度測(cè)試

在樣品“色差”部位取樣進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，樣品“色差”部位維氏硬度值比正常部位低12.2HV。

表3 維氏硬度檢測(cè)結(jié)果（HV/5/15）

2.3 電導(dǎo)率測(cè)試

對(duì)樣品“色差”部位及正常部位表面進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，“色差”部位的電導(dǎo)率值在43.2～44.0%IACS范圍之間，正常部位電導(dǎo)率值在42.6～42.9%IACS 范圍之間；相比之下，“色差”部位比正常部位電導(dǎo)率值偏大，且電導(dǎo)率值波動(dòng)較大。

3 分析與討論

3.1 硬度差異分析

高強(qiáng)度鋁合金厚板在淬火過(guò)程中，由于局部冷卻水流量不同等因素的影響，導(dǎo)致冷卻過(guò)程中粗大淬火平衡η相在晶界、亞晶界及彌散相上不均勻形核長(zhǎng)大。這些淬火平衡析出相的形成消耗了合金中大量溶質(zhì)原子，使得溶質(zhì)原子融入溶劑晶格的數(shù)量減少，引起溶劑晶格的畸變減小，導(dǎo)致合金淬火態(tài)強(qiáng)度及硬度降低。同時(shí)，也使得后續(xù)時(shí)效過(guò)程中合金時(shí)效強(qiáng)化析出相的數(shù)量減少，導(dǎo)致合金時(shí)效態(tài)硬度下降，合金表現(xiàn)出一定的淬火敏感性[6-8]。

3.2 電導(dǎo)率差異分析

電導(dǎo)率不僅反映了合金的導(dǎo)電能力，而且與材料的成分和內(nèi)部組織有關(guān)。合金的過(guò)飽和固溶程度越高，晶格畸變程度越大，電子散射越嚴(yán)重，使合金的電導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)[9]。在淬火過(guò)程中“色差”部位發(fā)生脫溶分解，使得合金的過(guò)飽和程度大大降低，晶格畸變程度降低，電子散射減弱，進(jìn)而使得合金淬火態(tài)“色差”部位的電導(dǎo)率升高。

隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行，淬火得到的過(guò)飽和固溶體將逐漸析出溶質(zhì)原子形成GP 區(qū)、過(guò)渡相和穩(wěn)定相，使合金的晶格畸變減小，內(nèi)應(yīng)力降低，電子運(yùn)動(dòng)變得容易，合金電導(dǎo)率增加[9]。相對(duì)于正常部位而言，“色差”部位在淬火過(guò)程中消耗了部分溶質(zhì)原子，大大降低了合金的過(guò)飽和程度，降低了晶格畸變程度，降低了電子散射程度。在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中，其仍然保持相同的規(guī)律，便使得合金時(shí)效態(tài)“色差”部位電導(dǎo)率升高了。

3.3 機(jī)理分析

鋁合金淬火與鋼鐵淬火一樣，同樣存在一個(gè)臨界冷卻速率。冷卻TTP曲線(xiàn)如圖3所示[1]。

當(dāng)合金淬火冷卻速率高于臨界值時(shí)，合金通過(guò)淬火敏感溫度區(qū)間的時(shí)間少于固溶體分解產(chǎn)生析出相所需的時(shí)間，過(guò)飽和固溶體來(lái)不及發(fā)生脫溶析出，有效地將合金的高溫狀態(tài)以過(guò)飽和固溶體的形式保留至室溫，為后續(xù)的時(shí)效提供了最佳的狀態(tài)，這有利于合金獲得良好的組織和性能匹配。但當(dāng)淬火冷卻速率低于臨界值時(shí)，合金通過(guò)淬火敏感溫度區(qū)間的時(shí)間多于固溶體分解產(chǎn)生析出相所需的時(shí)間。由于合金溶質(zhì)原子在淬火敏感溫度區(qū)間內(nèi)擴(kuò)散較快，合金的析出動(dòng)力學(xué)較大，因此合金過(guò)飽和固溶體將會(huì)在淬火冷卻過(guò)程中發(fā)生脫溶析出，然后在合金晶界和晶內(nèi)析出大量的粗大平衡相η。這些平衡相的析出消耗了大量的溶質(zhì)原子，大大降低了合金固溶體的過(guò)飽和度，減少了時(shí)效過(guò)程中形成時(shí)效強(qiáng)化析出相的數(shù)量，導(dǎo)致合金硬度和強(qiáng)度的下降，電導(dǎo)率升高[6-8]。

由此可知，7×××系鋁合金厚板表層出現(xiàn)的固溶淬火脫溶現(xiàn)象主要與試樣表層淬火冷卻速度不均勻有關(guān)。試樣在加熱爐淬火出爐時(shí)，設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品厚度設(shè)置進(jìn)行淬火水量控制，調(diào)節(jié)淬火水量與厚度表面之間的距離，形成如圖4所示的淬火冷卻形貌。試樣表面各點(diǎn)淬火冷卻速度基本相同或相差不大，試樣表層組織均勻。當(dāng)試樣加熱爐淬火水量與厚度表面之間的距離出現(xiàn)如圖5所示的形貌時(shí)，試樣表面會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域水量較大（冷卻速率較大）及部分區(qū)域水量較?。ɡ鋮s速率較?。┑默F(xiàn)象，使得試樣表層出現(xiàn)局部脫溶現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）7×××系鋁合金厚板表層局部“色差”部位比正常部位析出相數(shù)量偏多，硬度偏低，電導(dǎo)率偏高。能譜結(jié)果顯示，樣品“色差”部位與正常部位微區(qū)成分相差不大。

（2）7×××系鋁合金厚板表層局部“色差”缺陷的形成是由于板材表面固溶淬火過(guò)程發(fā)生局部脫溶現(xiàn)象導(dǎo)致的。

（3）解決7×××系鋁合金厚板表層局部“色差”缺陷的關(guān)鍵是控制板材表面各個(gè)區(qū)域水流量，保證板材表面冷卻的均勻性，防止板材出現(xiàn)局部脫溶現(xiàn)象。另外，可通過(guò)二次固溶淬火的方式對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)此缺陷的試樣進(jìn)行處理，以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。