吳沂哲，杜 康, 張祥斌,呂 丹，肖 翔

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102200)

Al-Zn-Mg-Cu系合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]。隨著終端需求的不斷提升，下一代合金朝著超高強(qiáng)、高淬透性方向發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)Al-Zn-Mg-Cu合金(如7075、7050、7055)已經(jīng)開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究[3-7]，其強(qiáng)度介于500 MPa～600 MPa區(qū)間，w(Zn)=5.7%～8.4%。由于Al-Zn-Mg-Cu合金中MgZn2相是主要強(qiáng)化相[8]，為了進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，就必須研發(fā)更高鋅含量的新型超高強(qiáng)鋁合金,同時(shí)開(kāi)展與高合金化相配套的鑄造工藝、成型工藝、熱處理工藝的研究。

本試驗(yàn)研究了Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金的固溶處理制度，采用優(yōu)化后的固溶時(shí)效處理獲得了強(qiáng)度和韌性均十分優(yōu)異的超高強(qiáng)擠壓產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)方法

Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。鑄錠經(jīng)440 ℃10 h+470 ℃50 h均勻化處理后，在400 ℃～430 ℃擠壓成40 mm×120 mm的板材。采用OM和SEM對(duì)擠壓態(tài)合金的金相組織、第二相種類進(jìn)行分析，采用DSC對(duì)合金固液相線溫度進(jìn)行分析以確定過(guò)燒溫度點(diǎn)，DSC升溫速率10 K/min。

表1 試驗(yàn)合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Measured composition of test alloy(wt/%)

單級(jí)固溶處理工藝參數(shù)：固溶溫度分別為465 ℃、470 ℃、475 ℃，保溫4 h；固溶溫度為470 ℃時(shí)分別保溫4 h、6 h、8 h。

雙級(jí)固溶處理工藝參數(shù)：440 ℃2 h+470 ℃4 h，450 ℃2 h+470 ℃4 h，460 ℃2 h+470 ℃4 h，450 ℃2 h+470 ℃6 h。淬火介質(zhì)為水，水溫18.9 ℃，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不大于5 s。對(duì)淬火樣品進(jìn)行SEM、DSC檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)殘留第二相面積分?jǐn)?shù)和合金的電導(dǎo)率。其中第二相面積分?jǐn)?shù)采用隨機(jī)拍攝的三張照片統(tǒng)計(jì)平均值，電導(dǎo)率采用隨機(jī)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)求取平均值。

采用120 ℃24 h峰時(shí)效處理后出爐空冷，取Φ13 mm的拉伸試樣測(cè)試力學(xué)性能。

2 Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金擠壓態(tài)組織分析

圖1為擠壓態(tài)Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金板材的顯微組織。由圖1可以看出，基體中存在大量亮白顆粒相。通過(guò)EDS能譜成分檢測(cè)第二相主要是塊狀、高亮度的T(AlZnMgCu)相，針狀A(yù)l7Cu2Fe相和點(diǎn)狀灰色MgZn2相。

圖1 試驗(yàn)合金擠壓態(tài)組織SEM電子像Fig.1 SEM electronic image of the as-extruded structure of test alloy

采用差示掃描量熱分析(DSC)對(duì)擠壓態(tài)板材心部、邊部及拐角位置進(jìn)行了熱焓曲線測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，試驗(yàn)合金的固相線溫度為476 ℃。因此，試驗(yàn)合金在后續(xù)固溶處理過(guò)程中加熱溫度應(yīng)低于476 ℃。

圖2 試驗(yàn)合金DSC熱焓曲線Fig.2 DSC enthalpy curve of test alloy

3 Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金擠壓板材固溶工藝優(yōu)化

3.1 單級(jí)固溶處理優(yōu)化

由于操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，單級(jí)固溶處理在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)首先分析單級(jí)固溶處理溫度(T)和保溫時(shí)間(t)對(duì)第二相回溶的影響。圖3為試驗(yàn)合金經(jīng)不同溫度保溫4 h固溶淬火后第二相背散射電子像。從圖3可見(jiàn)，隨著固溶溫度提高，非平衡共晶回溶更加充分，但在475 ℃固溶處理，合金中仍然存在少量非平衡共晶。因此，考慮工業(yè)化熱處理爐溫精度為±5 ℃，為避免過(guò)燒，合金固溶溫度選為470 ℃。圖4為固溶溫度為470 ℃時(shí)保溫不同時(shí)間淬火后第二相背散射電子像。從圖4可以看出，合金經(jīng)470 ℃處理4 h時(shí)即可達(dá)到較好的固溶效果。延長(zhǎng)固溶時(shí)間，固溶效果沒(méi)有明顯提升，反而使合金晶粒尺寸長(zhǎng)大，影響合金性能。

圖3 不同溫度保溫4 h固溶淬火對(duì)合金第二相回溶的影響Fig.3 The effect of solution quenching at different temperatures for 4 hours on the redissolution of the second phase

圖4 固溶溫度為470 ℃保溫不同時(shí)間固溶淬火對(duì)合金第二相回溶的影響Fig.4 Effect of solution quenching at 470 ℃ for different time on the redissolution of the second phase of the alloy

為了更加定量的表征固溶溫度和固溶時(shí)間對(duì)第二相回溶/基體過(guò)飽和度的影響，統(tǒng)計(jì)了不同工藝固溶處理后合金殘留第二相的面積分?jǐn)?shù)和電導(dǎo)率，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，隨著固溶溫度升高和固溶時(shí)間延長(zhǎng)，合金電導(dǎo)率和殘留第二相面積分?jǐn)?shù)均逐步減小。其中，電導(dǎo)率下降主要是由于隨著第二相的回溶，形成過(guò)飽和固溶體導(dǎo)致基體晶格畸變?cè)黾?，增大了?duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻力造成的。此變化趨勢(shì)與金相觀察中第二相逐步減少的結(jié)果吻合。合金經(jīng)過(guò)470 ℃保溫6 h～8 h或475 ℃4 h固溶后，殘留第二相面積分?jǐn)?shù)下降到0.2%以下。

合金經(jīng)470 ℃保溫6 h～8 h單級(jí)固溶處理后，電導(dǎo)率為14.8 MS/m～15.2 MS/m，殘留第二相面積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%。

圖5 不同溫度保溫4 h固溶淬火對(duì)合金電導(dǎo)率和殘留第二相面積分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effects of solution quenching at different temperatures for 4 h on the electrical conductivity and residual-second-phase area fraction of the alloy

圖6 溫度為470 ℃保溫不同時(shí)間固溶淬火對(duì)合金電導(dǎo)率和殘留第二相面積分?jǐn)?shù)的影響Fig.6 Effect of solution quenching at 470 ℃ for different time on electrical conductivity and area fraction of residual second phase

3.2 雙級(jí)固溶處理優(yōu)化

第二級(jí)固溶工藝參數(shù)選定為470 ℃4 h，探討第一級(jí)固溶溫度(保溫2 h)對(duì)Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金微觀組織和電導(dǎo)率的影響，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7可見(jiàn)，三種一級(jí)固溶處理溫度對(duì)應(yīng)的最終第二相均有一定程度回溶，微觀組織沒(méi)有明顯差異。由圖8可知，隨著第一級(jí)固溶溫度的升高，合金電導(dǎo)率逐步降低，第二相面積分?jǐn)?shù)由0.3%降低至0.23%。

圖7 第二級(jí)固溶工藝為470 ℃4 h時(shí)第一級(jí)固溶溫度(保溫2h)對(duì)合金組織形貌的影響Fig.7 The effect of the first-stage solution temperature (holding for 2h) on the microstructure of the alloy when the second-stage solution process is 470 ℃ for 4 h

圖8 第二級(jí)固溶工藝為470 ℃4 h時(shí)第一級(jí)固溶溫度(保溫2 h)對(duì)合金電導(dǎo)率和殘留第二相面積分?jǐn)?shù)的影響Fig.8 Influence of the first-stage solution temperature(holding for 2h) on the electrical conductivity and residual-second-phase area fraction of the alloy when the second-stage solution process is 470 ℃ for 4 h

對(duì)比單級(jí)和雙級(jí)固溶處理后的電導(dǎo)率和殘留第二相面積分?jǐn)?shù)可知，兩種工藝固溶淬火后合金的電導(dǎo)率分別為14.8 MS/m～15.2 MS/m、14.8 MS/m～15.0 MS/m；兩種工藝殘留亮白相面積分?jǐn)?shù)分別為0.1%～0.4%、0.2%～0.3%。由此可見(jiàn)，導(dǎo)致殘留第二相面積分?jǐn)?shù)差異的關(guān)鍵在于最高固溶溫度的差異，而與是否增加第一級(jí)低溫固溶無(wú)關(guān)。

4 Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金板材時(shí)效態(tài)力學(xué)性能

固溶處理不僅會(huì)影響第二相回溶，還會(huì)對(duì)合金的再結(jié)晶程度和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。因此，在分析固溶處理對(duì)第二相回溶的基礎(chǔ)上，探討固溶處理參數(shù)對(duì)Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金板材120 ℃24 h單級(jí)峰時(shí)效(T6)后力學(xué)性能和再結(jié)晶的影響。具體工藝參數(shù)如表2所示。合金的力學(xué)性能如圖9所示。由圖9可知，采用前三組單級(jí)固溶時(shí)效，隨固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，合金強(qiáng)度由663 MPa升高至715 MPa，伸長(zhǎng)率由11.0%降低至9.07%。采用后四組雙級(jí)固溶時(shí)效，合金的強(qiáng)度明顯高于單級(jí)固溶時(shí)效后的強(qiáng)度；更為重要的是，合金雙級(jí)固溶時(shí)效后的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率穩(wěn)定性更好，顯著優(yōu)于單級(jí)固溶時(shí)效處理的。

表2 熱處理參數(shù)Table 2 Heat treatment parameters

圖9 合金的力學(xué)性能Fig.9 Mechanical properties of the alloy

由圖9可知，固溶總時(shí)長(zhǎng)固定6 h的情況下，雙級(jí)固溶處理(450 ℃2 h+470 ℃4 h)后合金性能要優(yōu)于單級(jí)(470 ℃6 h)固溶處理的。在Xueting[9]和Hang[10]等人的研究中也發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。為了分析這一現(xiàn)象，選擇了固溶處理(470 ℃6 h和450 ℃2 h+470 ℃4 h)合金進(jìn)行組織分析。對(duì)比了兩種固溶處理后合金的EBSD組織和小角度晶界分布情況，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，470 ℃6 h單級(jí)固溶處理后晶粒寬度(約22 μm)要明顯大于450 ℃2 h+470 ℃4 h雙級(jí)固溶后晶粒寬度(約15 μm)；對(duì)比小角度晶界數(shù)量發(fā)現(xiàn)，單級(jí)固溶處理后小角度晶界占比為73.6%，雙級(jí)固溶處理后小角度晶界為65.3%。

圖10 單級(jí)固溶處理(470 ℃6 h)和雙級(jí)固溶處理(450 ℃2 h+470 ℃4 h)后的合金微觀組織及小角度晶界統(tǒng)計(jì)Fig.10 Alloy microstructure and low-angle grain boundary statistics after single-stage solution treatment(470 ℃ for 6 h) and double-stage solution treatment(450 ℃ for 2 h+470 ℃ for 4 h)

說(shuō)明采用低溫加高溫的雙級(jí)固溶制度比單獨(dú)高溫固溶處理更有益于抑制再結(jié)晶晶粒的粗化，晶粒更加均勻細(xì)小，從而有利于合金伸長(zhǎng)率、強(qiáng)度的提升和穩(wěn)定。

由以上分析結(jié)果可知，擠壓態(tài)合金高溫長(zhǎng)時(shí)間固溶處理有利于第二相回溶，但并不一定會(huì)使合金的強(qiáng)度升高。通過(guò)短時(shí)間低溫固溶后配合高溫固溶，在總固溶處理時(shí)間不變的情況下，可以獲得更加優(yōu)異的再結(jié)晶組織和強(qiáng)塑性匹配。本試驗(yàn)合金經(jīng)過(guò)優(yōu)化固溶處理工藝，固溶處理工藝450 ℃2 h+470 ℃4 h，時(shí)效工藝120 ℃24 h，獲得合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到729 MPa、伸長(zhǎng)率10.32%。

5 結(jié)論

1)Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金擠壓態(tài)板材的第二相主要為塊狀T(AlZnMgCu)相、針狀A(yù)l7Cu2Fe相和點(diǎn)狀灰色MgZn2相。

2)Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金擠壓板材經(jīng)470 ℃6 h單級(jí)固溶處理和450 ℃2 h+470 ℃4 h雙級(jí)固溶處理后，電導(dǎo)率差異不大，殘留第二相面積分?jǐn)?shù)略有差異。

3)在總固溶處理時(shí)間相同情況下，采用低溫加高溫的雙級(jí)固溶處理后的Al-8.5Zn-2.3Mg-2.0Cu合金具有更優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。合金經(jīng)過(guò)450 ℃2 h+470 ℃4 h雙級(jí)固溶和120 ℃24 h時(shí)效后，獲得最優(yōu)力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度為729 MPa、伸長(zhǎng)率為10.32%。