周洪剛，袁伍豐，舒 兵，熊明定，向臻東

(江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金(7000系列)，具有比強(qiáng)度高、加工性能好、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸及壓力容器領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。由于7055鋁合金元素高達(dá)10%以上，采用傳統(tǒng)鑄造方法煉制容易導(dǎo)致偏析等問(wèn)題。為獲得較好的力學(xué)性能，7055鋁合金常采用噴射成形煉制[3]。噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝。它具有所獲材料晶粒細(xì)小、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析等各種快速凝固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，力學(xué)性能較鑄態(tài)材料相比有較大的提升。

相比傳統(tǒng)鑄造，噴射成形7055鋁合金(簡(jiǎn)稱(chēng)7055鋁合金)由于組織、性能均有較大改善，為更好發(fā)揮其組織、性能優(yōu)勢(shì)[4]，需針對(duì)此鋼種進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化，本文從固溶參數(shù)、時(shí)效參數(shù)、冷卻速度(水溫)等方面對(duì)噴射成形7055鋁合金進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，探討熱處理工藝參數(shù)對(duì)噴射成形7055鋁合金組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用噴射成形7055鋁合金的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1，力學(xué)性能試樣(簡(jiǎn)稱(chēng)試棒)先粗加工成φ20×173規(guī)格，熱處理完后按圖1所示形狀和尺寸精加工成形。

圖1 力學(xué)性能試樣

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗(yàn)方法

固溶處理采用NCL2003-331鋁合金淬火爐，時(shí)效處理采用NCL2003-430鋁合金時(shí)效爐，均為工業(yè)爐，定期進(jìn)行爐溫均勻性檢測(cè)，爐溫符合GB/T 9452—2012Ⅱ類(lèi)爐(≤±5 ℃)要求。力學(xué)性能檢測(cè)采用WE-60液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。金相組織觀察采用奧林巴斯GX71金相顯微鏡。

本文共進(jìn)行5組固溶時(shí)效試驗(yàn)，分別研究固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效時(shí)間和冷卻速度(改變冷卻水溫)等參數(shù)對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能的影響。由于本文僅對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能進(jìn)行研究，時(shí)效溫度的改變會(huì)對(duì)鋁合金的力學(xué)性能和腐蝕性能同時(shí)造成影響，導(dǎo)致試驗(yàn)變量不可控，因此本文設(shè)定時(shí)效溫度為115 ℃。具體方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

由表2可知，方案共分5組，第Ⅰ組改變固溶溫度；第Ⅱ組改變固溶時(shí)間；第Ⅲ組改變時(shí)效時(shí)間，第Ⅳ組改變冷卻水溫度；第Ⅴ組為分級(jí)固溶方案。選取第Ⅱ組中的T6熱處理工藝(470 ℃×2 h固溶(≈40 ℃水冷)、115 ℃×24 h時(shí)效(空冷))為對(duì)照組。每組試驗(yàn)所用試棒批次相同，同組試驗(yàn)每種工藝均使用6根試棒。試棒熱處理后，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)得抗拉強(qiáng)度(Rm)和延伸率(A)，取其平均值，制成曲線圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固溶溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

固溶溫度對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖2所示(不同溫度×2 h固溶，115 ℃×24 h時(shí)效，40 ℃水冷)。從圖2可知，在465～485 ℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度和延伸率均隨固溶溫度的升高而提升，在485 ℃左右時(shí)都達(dá)到峰值(抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa。延伸率為15.2%)，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提高溫度，抗拉強(qiáng)度和延伸率都開(kāi)始下降。

圖2 固溶溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

7055鋁合金是在7050鋁合金上增加Zn、Cu含量改良而來(lái)，同屬于Al-Zn-Mg-Cu合金，其起主要強(qiáng)化作用的元素為Zn和Mg。相比7050鋁合金，7055鋁合金除了η(MgZn2)和S(CuMgAl2)以外，T(Al2Mg3Zn3)會(huì)和η(MgZn2)共同存在于組織中，因此可參考7050鋁合金在不同溫度下平衡相的組成及其體積分?jǐn)?shù)變化曲線[5](見(jiàn)圖3)。Al-Zn-Mg-Cu系合金中η(MgZn2)最先固溶，S(CuMgAl2)最后固溶，而T(Al2Mg3Zn3)由于與η(MgZn2)共同存在，因此7055鋁合金平衡相的固溶順序?yàn)棣?MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)[6]。同時(shí)通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)的共晶點(diǎn)分別為470、489和500 ℃[7]。

圖3 7050鋁合金在不同溫度下平衡相的組成及其體積分?jǐn)?shù)變化曲線

結(jié)合圖2和圖3可知，在455和465 ℃固溶時(shí)，由于η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)均沒(méi)有過(guò)燒(共晶)，隨著固溶溫度的升高，強(qiáng)化相溶解越充分；當(dāng)溫度超過(guò)470 ℃時(shí)，η(MgZn2)開(kāi)始輕微過(guò)燒，但由于T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)溶解充分帶來(lái)的有益影響，其力學(xué)性能反而有所提升；當(dāng)溫度達(dá)到495 ℃時(shí)，由于η(MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3)均開(kāi)始過(guò)燒，S(CuMgAl2)溶解充分帶來(lái)的有益影響已不能消除其他相過(guò)燒和組織長(zhǎng)大帶來(lái)的有害影響，力學(xué)性能開(kāi)始下降；當(dāng)溫度達(dá)到505 ℃時(shí)，主要強(qiáng)化相均已過(guò)燒，顯微組織已明顯長(zhǎng)大。

7055鋁合金不同溫度下金相組織如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)溫度為465～485 ℃區(qū)間時(shí)，金相組織一致，晶粒較小且均勻；當(dāng)溫度為495 ℃時(shí)，晶粒出現(xiàn)明顯漲大和變形；當(dāng)溫度為505 ℃時(shí)，晶粒粗大。因此實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，考慮到爐溫均勻性和成分偏析等情況，建議固溶溫度在465～485 ℃范圍為宜。

a) 465 ℃

b) 485 ℃

c) 495 ℃

d) 505 ℃圖4 7055鋁合金不同溫度下金相組織

2.2 固溶時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

固溶時(shí)間對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖5所示(470 ℃×不同時(shí)間固溶，115 ℃×24 h時(shí)效，40 ℃水冷)。由圖5可知，在470 ℃保溫至2 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度已接近最大值654 MPa，延伸率為13.5%。繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，抗拉強(qiáng)度和延伸率提升微乎其微，至6 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降，延伸率無(wú)明顯變化。7055鋁合金固溶保溫的主要目的是使合金中第二相充分溶解到α基體中，理論上，固溶保溫時(shí)間越長(zhǎng)，第二相溶解越充分，時(shí)效后獲得的強(qiáng)化效果更好。但當(dāng)保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，顯微組織會(huì)長(zhǎng)大，性能反而有所下降。生產(chǎn)中，綜合考慮產(chǎn)品的壁厚和經(jīng)濟(jì)性，固溶時(shí)間選擇2～4 h比較合理。

圖5 固溶時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

2.3 時(shí)效時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

時(shí)效時(shí)間對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖6所示(470 ℃×2 h固溶，115 ℃×不同時(shí)效時(shí)間，40 ℃水冷)。由圖6可知，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為24 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值655 MPa，延伸率趨于穩(wěn)定15.4%。時(shí)效時(shí)間過(guò)短，明顯時(shí)效不足，產(chǎn)品性能未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，二可能導(dǎo)致過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，引起性能不穩(wěn)定，因此建議時(shí)效時(shí)間為24 h。

圖6 時(shí)效時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

2.4 冷卻速度對(duì)力學(xué)性能的影響

冷卻速度對(duì)7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖7所示(470 ℃×2 h固溶，115 ℃×24 h時(shí)效，不同溫度水冷)。從圖7可知，抗拉強(qiáng)度隨水溫的升高而降低，最大為654 MPa，延伸率幾乎不受水溫的影響，接近14%。理論上，淬火冷卻速度越快，所獲得的過(guò)飽和固溶體的濃度越高，但內(nèi)應(yīng)力也大。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，在保證不會(huì)淬裂的前提下，應(yīng)保證水溫盡量處于常溫。

圖7 冷卻速度對(duì)力學(xué)性能的影響

2.5 分級(jí)固溶對(duì)力學(xué)性能的影響

分級(jí)固溶工藝特點(diǎn)是固溶過(guò)程分為二級(jí)：第一級(jí)在低于共晶溫度以下先保溫一段時(shí)間，先使部分強(qiáng)化相充分溶解，第二級(jí)溫度較高，在避免組織過(guò)燒的前提下，在較高的溫度下保溫較短時(shí)間，進(jìn)一步溶解其他強(qiáng)化相，提高溶質(zhì)原子固溶度。由于其縮短了固溶時(shí)間，降低了能耗，提高了固溶效率，常被用于鋁合金制造[8-14]。

7055鋁合金除η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(CuMgAl2)等3個(gè)主要強(qiáng)化相之外，還存在Al7Cu2Fe、Al23CuFe4、AlCuFeSi和ZrAl3等強(qiáng)化相。其經(jīng)過(guò)分級(jí)固溶后，力學(xué)性能如圖8所示。從圖8可知，465 ℃×2 h+495 ℃×0.5 h性能達(dá)到峰值，抗拉強(qiáng)度達(dá)到687 MPa，延伸率達(dá)到16%。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，若在特殊情況下需將產(chǎn)品性能提升至極限且設(shè)備具備自動(dòng)控制功能，可采用分級(jí)固溶工藝。

圖8 分級(jí)固溶溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)7055鋁合金強(qiáng)化相多且雜，其共晶溫度在470～500 ℃不等，若僅對(duì)T6熱處理工藝進(jìn)行固溶溫度優(yōu)化，固溶溫度選定在480 ℃左右可使力學(xué)性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa，延伸率為15.2%。

2)7055鋁合金固溶時(shí)間2 h能有效提升力學(xué)性能，但超過(guò)4 h則性能會(huì)重新下降，因此固溶時(shí)間在2～4 h范圍為宜，時(shí)效時(shí)間對(duì)力學(xué)性能影響較固溶時(shí)間小，強(qiáng)度峰值大致在時(shí)效時(shí)間24 h。冷卻速度對(duì)延伸率沒(méi)有影響，抗拉強(qiáng)度隨冷速降低而降低，因此在保證不會(huì)淬裂的前提下，應(yīng)保證水溫盡量處于常溫。

3)分級(jí)固溶工藝(465 ℃×2 h+495 ℃×0.5 h)可有效提高力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度相對(duì)原工藝提升687 MPa，延伸率達(dá)到16%，但對(duì)設(shè)備要求較高，在爐溫均勻性和設(shè)備自動(dòng)化程度均較好的情況下推薦選用。