馮朝輝， 王少華， 臧金鑫， 張顯峰， 孫 剛， 陸 政， 龔 彭

（北京航空材料研究院，北京 100095）

Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，因其具有高的比強(qiáng)度和良好的加工性能等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空及軍事領(lǐng)域［1～4］。隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，以及復(fù)合材料和鈦合金等先進(jìn)材料的挑戰(zhàn)，對(duì)鋁合金性能的要求也在不斷提高，材料需要具備更高的強(qiáng)度，良好的強(qiáng)韌匹配和抗應(yīng)力腐蝕性能。因此，新型高強(qiáng)鋁合金的主元素含量（尤其是鋅元素）在逐漸提高，相應(yīng)熱處理制度的優(yōu)化也一直是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)［5～8］。峰值時(shí)效處理雖然可以獲得很高的強(qiáng)度，但是服役過程存在嚴(yán)重的腐蝕開裂問題，限制了合金的應(yīng)用。雙級(jí)過時(shí)效處理，包括低溫預(yù)時(shí)效和高溫終時(shí)效兩個(gè)階段，通過調(diào)整合金晶內(nèi)和晶界沉淀相尺寸、種類和分布，從而在強(qiáng)度降低不多的條件下獲得良好的韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能［7～9］。

雙級(jí)時(shí)效工藝研究通常是通過正交試驗(yàn)的方法研究第一級(jí)和第二級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)合金硬度、電導(dǎo)率及拉伸性能的影響，最終確定時(shí)效工藝參數(shù)（預(yù)時(shí)效的溫度T1和時(shí)間t1，終時(shí)效的溫度T2和時(shí)間t2）。實(shí)驗(yàn)量大，周期長，結(jié)果誤差也較大。GP區(qū)存在兩個(gè)溫度點(diǎn)TC和TV，在TC點(diǎn)以上GP區(qū)不能形核，在TV點(diǎn)以下可以不依靠空位濃度均勻形核。而GP區(qū)在TV和TC溫度區(qū)間內(nèi)是否能均勻形核則依靠基體內(nèi)的空位濃度［10］。淬火過程冷卻速率的快慢直接影響基體內(nèi)空位濃度的大小，從而影響到GP區(qū)形核的數(shù)量。尤其是對(duì)于大厚板和鍛件，中心部位由于冷卻速率慢而減少了空位的濃度，在隨后的時(shí)效過程中會(huì)減少沉淀強(qiáng)化相的析出數(shù)量，影響強(qiáng)化效果。較準(zhǔn)確測定鋁合金的TV和TC可以幫助選取適宜的第一級(jí)和第二級(jí)時(shí)效溫度，得到優(yōu)異的綜合性能。

本工作針對(duì)一種新型超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu合金，采用測量GP區(qū)形核臨界溫度TV和TC的方法，確定一、二級(jí)時(shí)效溫度T1及T2，通過研究一、二級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響，確定一、二級(jí)時(shí)效時(shí)間，從而縮短了實(shí)驗(yàn)量和實(shí)驗(yàn)周期。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料采用厚度為40mm的Al-9.4Zn-2.1 Mg-1.8Cu合金擠壓帶板，合金的名義化學(xué)成分見表1。

表1 Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓帶板化學(xué)成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of Al-Zn-Mg-Cu alloy extruding plate（mass fraction/%）

Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓帶板經(jīng)475℃/2h固溶后淬火，再進(jìn)行約2%的預(yù)拉伸。首先通過硬度法確定實(shí)驗(yàn)合金的GP區(qū)形核臨界TV和TC，再進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效工藝的研究，最終通過合金的力學(xué)拉伸性能確定適宜的工藝參數(shù)，并進(jìn)一步測試了合金在該熱處理制度下的斷裂韌度和抗應(yīng)力腐蝕等性能。

拉伸試樣分別沿L向和LT向截取，加工成φ5mm的拉伸試棒，拉伸性能在WDW-100kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。硬度測試在HB-3000B-I布氏硬度計(jì)上進(jìn)行。電導(dǎo)率測試在SIGMASCOPE SMP10型電導(dǎo)儀上進(jìn)行。顯微組織采用萊卡MEFS型多功能金相顯微鏡觀察。在島津JSM-M5600LN型掃描電鏡（SEM）上觀察顯微組織和拉伸斷口形貌。透射電鏡（TEM）觀察在JEM-2010型透射電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200kV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶組織

圖1為Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓帶板固溶處理后的三維光學(xué)顯微組織，固溶處理后的合金晶粒組織發(fā)生了部分再結(jié)晶，大部分晶粒仍保持著拉長的晶粒組織，組織內(nèi)存在部分未溶的第二相粒子。

圖1 Al-Zn-Mg-Cu合金擠壓帶板三維光學(xué)顯微組織照片F(xiàn)ig.1 Three-dimensional optical micrograph of Al-Zn-Mg-Cu alloy extruding plate

2.2 溫度TV和TC的測定

根據(jù)溫度TV和TC的定義，本研究采用硬度法測定實(shí)驗(yàn)合金TV和TC的數(shù)值。取硬度試樣若干，在475℃固溶0.5h后，一部分試樣采用空冷至室溫，用于溫度TV的測定;另外試樣采用室溫水淬，用于溫度TC的測定。經(jīng)過室溫停放24h后，空冷的試樣分別在110～150℃進(jìn)行單級(jí)時(shí)效處理，測定每個(gè)溫度時(shí)效曲線的峰值硬度，如圖2a所示。而水淬的試樣，室溫停放24h后在140～190℃進(jìn)行單級(jí)時(shí)效處理，各個(gè)溫度下合金的峰值硬度如圖2b所示。合金空冷試樣的硬度峰值均小于水冷試樣的硬度值，這是因?yàn)楹辖鹪诓煌鋮s條件下的顯微組織不同。在空冷的過程中，合金的冷卻速率較慢，基體中的部分合金元素在緩冷過程中以第二相形式析出（如圖3a和b），而沒有保持合金固溶時(shí)的過飽和狀態(tài)，所以在時(shí)效過程中起到強(qiáng)化作用的沉淀相較少，合金的硬度和強(qiáng)度降低。合金在水冷的過程中，由于冷卻速率較快而沒有機(jī)會(huì)析出較粗大的第二相粒子（如圖3c），所以合金保持了高度過飽和狀態(tài)，有利于時(shí)效過程中的強(qiáng)化。表2為合金在不同冷卻條件下組織內(nèi)未溶相和析出第二相的化學(xué)成分，能譜分析顯示他們均為含Al和Cu元素的MgZn2相，即（Mg（Zn，Cu，Al）2相）。空冷試樣的硬度峰值在130～140℃區(qū)間出現(xiàn)大幅降低（如圖2a），這主要是因?yàn)闇囟仍?40℃以上時(shí)，合金沉淀相（GP區(qū)）形核就需要基體內(nèi)具有一定空位數(shù)量，從而可確定實(shí)驗(yàn)合金的TV在溫度區(qū)間130～140℃。水冷試樣的硬度峰值降低出現(xiàn)在170～180℃區(qū)間（如圖2b），因此，TC的溫度區(qū)間為170～180℃。

圖2 不同冷卻介質(zhì)淬火后合金時(shí)效硬度峰值分布圖（a）空冷;（b）水冷Fig.2 Peak hardness of alloy after aging in different quenching condition（a）air cooling;（b）water cooling

圖3 不同冷卻介質(zhì)淬火后合金顯微組織的SEM圖 （a），（b）空冷;（c）水冷Fig.3 SEM images of peak hardness of microstructure in the alloy after aging in different quenching condition（a），（b）air cooling;（c）water cooling

表2 圖3所示合金粒子的成分分析（原子分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Compound compositions of particles in Fig.3（atom fraction/%）

2.3 雙級(jí)時(shí)效工藝研究

如果溫度稍低于TV時(shí)效一定時(shí)間，GP區(qū)也可均勻形核，而且在一定時(shí)間后隨著GP區(qū)尺寸增大，GP區(qū)可以在更高的溫度穩(wěn)定存在，因此一級(jí)預(yù)時(shí)效溫度要低于TV。在二級(jí)終時(shí)效過程中，當(dāng)時(shí)效溫度高于TC時(shí)，GP區(qū)不僅不能形核，而且中小尺寸GP區(qū)回溶，合金強(qiáng)度快速下降。為了保證合金中GP區(qū)能均勻形核，通過一二級(jí)時(shí)效協(xié)調(diào)獲得優(yōu)良的強(qiáng)度/韌度綜合性能匹配，雙級(jí)時(shí)效過程中一級(jí)時(shí)效和二級(jí)時(shí)效的溫度應(yīng)分別低于TV和TC點(diǎn) 5℃到10℃，即一級(jí)時(shí)效溫度確定為7XXX系常用溫度120℃（低于 130℃），二級(jí)時(shí)效溫度確定為165℃（低于170℃）。為了確定一級(jí)時(shí)效和二級(jí)時(shí)效的時(shí)間，取板材LT向拉伸試樣在120℃分別時(shí)效4h，6h和12h，然后在165℃時(shí)效2～18h，不同一級(jí)時(shí)效時(shí)間下，新型合金屈服強(qiáng)度隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的變化如圖4所示。圖4a給出了合金不同時(shí)效狀態(tài)下的伸長率，合金的伸長率隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長而升高，一級(jí)時(shí)效時(shí)間為12h的合金的伸長率稍好。但合金在時(shí)效8h時(shí)，一級(jí)時(shí)效時(shí)間為4h和12h的合金伸長率基本相當(dāng)。圖4b表明合金在第二級(jí)終時(shí)效過程中，合金的屈服強(qiáng)度隨著時(shí)效時(shí)間的增加而降低。當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間為8h時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度非常穩(wěn)定，集中在540MPa左右，基本不受一級(jí)預(yù)時(shí)效時(shí)間的影響，所以該制度可確保合金具有穩(wěn)定的性能。所以綜合考慮合金的強(qiáng)韌匹配和工業(yè)生產(chǎn)的成本，120℃/4h+165℃/8h為優(yōu)選的雙級(jí)時(shí)效制度。

圖4 合金在不同雙級(jí)時(shí)效時(shí)間的拉伸性能圖 （a）伸長率;（b）屈服強(qiáng)度Fig.4 Tensile properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after various two-step aging treatment （a）elongation;（b）yield strength

為了驗(yàn)證這一雙級(jí)時(shí)效制度的可靠性，試樣在475℃固溶2.0 h后水淬，選定一級(jí)時(shí)效制度為120℃/4h，二級(jí)時(shí)效溫度為150～180℃，二級(jí)時(shí)效時(shí)間為6～34h對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效，合金在不同二級(jí)時(shí)效制度下的硬度和電導(dǎo)率曲線如圖5所示。當(dāng)合金的二級(jí)時(shí)效溫度在150～160℃時(shí)，合金的硬度保持在較高的數(shù)值，但是合金的電導(dǎo)率偏低，這樣合金的抗應(yīng)力腐蝕性能不好。而二級(jí)時(shí)效溫度提高到170～180℃時(shí)，合金的硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長迅速下降，亦證明合金GP區(qū)形核臨界溫度TC在170～180℃是合理的。綜合考慮合金的硬度和電導(dǎo)率關(guān)系，確定合金在二級(jí)時(shí)效溫度為165℃時(shí)效8h后，具有較好的強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能（電導(dǎo)率表征）。合金經(jīng)過120℃/4h+165℃/8h時(shí)效后的拉伸性能、斷裂韌度和電導(dǎo)率如表3所示。

圖5 合金不同二級(jí)時(shí)效溫度的時(shí)效曲線（a）硬度;（b）電導(dǎo)率Fig.5 Aging curves of the alloy at different second aging temperatures（a）hardness;（b）electrical conductivity

表3 Al-Zn-Mg-Cu合金雙級(jí)時(shí)效的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after two-step aging treatment

2.4TEM 組織

圖6為合金經(jīng)過120℃/4h+165℃/8h雙級(jí)時(shí)效后的TEM照片，照片均是在＜011＞Al帶軸下得到的。合金晶內(nèi)存在棒狀和圓形兩種形態(tài)的沉淀相，而且主要以棒狀沉淀相為主，尺寸從幾個(gè)納米到十幾個(gè)納米不等（如圖6a）。晶界沉淀相粗化嚴(yán)重，呈棒狀，尺寸60～80nm，沿著晶界斷續(xù)分布。晶界附近存在明顯的晶界無析出帶（PFZ），寬度約50nm，過時(shí)效現(xiàn)象明顯（如圖6b）。＜011＞Al帶軸下的衍射斑點(diǎn)花樣如圖6c所示，可以發(fā)現(xiàn)在1/3{02}，2/3{02}的位置出現(xiàn)了η'相的衍射花樣，在近2/3{02}處有η相的衍射斑，說明此時(shí)晶內(nèi)沉淀相主要為與基體半共格的η'相和非共格的η相，并且η'相數(shù)量居多［6，11］。另外，在 ＜011 ＞Al帶軸下有斑點(diǎn)占據(jù)了{(lán)100}和{01}的位置，經(jīng)分析可知為Al3Zr相的衍射斑點(diǎn)［12］，Al3Zr相是鑄錠均勻化過程中析出的彌散相。

圖7為合金經(jīng)過120℃/4h+165℃/8h雙級(jí)時(shí)效后的SEM照片，L向拉伸斷口主要為穿晶韌窩型斷裂方式，韌窩特征明顯（如圖7a，b），LT向?yàn)檠鼐Ъ羟泻晚g窩型斷裂方式，韌性低于L向（如圖7c，d）。

圖6 合金在120℃/4h+165℃/8h時(shí)效的TEM照片（a）晶內(nèi);（b）晶界;（c）＜011＞AlSADPFig.6 TEM images of alloy after aging of 120℃/4h+165℃/8h（a）matrix;（b）grain boundary;（c）＜011＞AlSADP

圖7 合金在120℃/4h+165℃/8h時(shí)效后的拉伸斷口圖片 （a），（b）L向;（c），（d）LT向

Fig.7 TEM images of alloy after aging of 120℃ /4h+165℃ /8h（a），（b）L orientation;（c），（d）LT orientation

3 結(jié)論

（1）經(jīng)測試可知，新型合金的GP區(qū)臨界溫度TV在130～140℃之間，TC的溫度在170～180℃之間。因此，該合金的一級(jí)時(shí)效溫度可確定為120℃，二級(jí)時(shí)效溫度可確定為165℃。

（2）通過研究第一級(jí)和第二級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金拉伸性能的影響，優(yōu)選新型合金擠壓帶板的雙級(jí)時(shí)效制度為:120℃/4h+165℃/8h。此時(shí)，合金L向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷裂韌度和電導(dǎo)率分別為 617MPa，590MPa，13.5%，4 1 .6MPa和39.1%IACS。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該合金是一種綜合性能優(yōu)良的雙級(jí)時(shí)效600MPa級(jí)鋁合金。

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