劉俊濤，張永安，李錫武，李志輝，熊柏青，張濟山

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新型7056鋁合金雙級時效的顯微組織和性能

劉俊濤1, 2，張永安1，李錫武1，李志輝1，熊柏青1，張濟山2

(1. 北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室，北京100088；2. 北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083)

采用力學(xué)性能和電導(dǎo)率測試以及透射電子顯微鏡組織等觀察分析新型7056鋁合金雙級時效制度下的性能和顯微組織。結(jié)果表明：第二級時效處理后，合金基體沉淀析出相長大粗化，晶界析出相逐漸呈斷續(xù)分布狀態(tài)，無析出帶隨時間的延長而變寬；經(jīng)第二級150 ℃、12 h時效后，合金由GP區(qū)和η相構(gòu)成，析出相的尺寸為7~9 nm，并出現(xiàn)明顯的無析出帶；隨著第二級時效時間的延長，合金電導(dǎo)率逐漸升高，屈服強度先增大后減小；合金經(jīng) (110 ℃、6 h)+(150 ℃、14 h)雙級時效處理后，屈服強度達到650 MPa，電導(dǎo)率為21.72 MS/m，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

7056鋁合金；雙級時效；顯微組織；性能

7xxx系鋁合金具有比強度高、加工性能好、耐腐蝕性能優(yōu)異和斷裂韌性高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。經(jīng)過近幾十年來的發(fā)展，7xxx系合金已先后開發(fā)了7075、7050、7055等系列的鋁合金，并得到了廣泛的應(yīng)用[1?3]。當(dāng)前，隨著波音787以及空客A380大型客機的開發(fā)應(yīng)用，原有的合金已無法完全滿足航空工業(yè)迅猛發(fā)展的需求[4]。為此，法國科學(xué)家在7055合金的基礎(chǔ)上，顯著增加Zn含量，降低Mg、Cu含量，并進一步降低Fe、Si雜質(zhì)含量，開發(fā)了7056鋁合金，7056-T79/T76合金具有高強韌的優(yōu)良性能，已用來代替7449合金用于空客A380-800F客機上機翼壁板的制造[5?6]。本文作者以7056鋁合金為研究對象，對該高Zn含量7xxx系鋁合金的制備工藝和組織特性進行探索研究。

7xxx系鋁合金是典型的時效強化型合金，其主要析出序列如下：過飽和固溶體(SSS)→GP區(qū)→η′→ η(MgZn2)[7?10]。時效制度對鋁合金性能具有極為重要的影響。峰時效處理后合金具有最高的強度，但抗應(yīng)力腐蝕性能差；采用合適的雙級時效處理后，盡管合金的強度有所下降，但其抗應(yīng)力腐蝕敏感性會明顯提高，綜合性能會得到極大改善[11?12]。雙級時效處理已成為當(dāng)前7xxx系鋁合金工業(yè)生產(chǎn)中最常用的時效熱處理制度。國內(nèi)外學(xué)者對7xxx系鋁合金的雙級時效制度進行了大量的研究，其中對雙級時效工藝的探索以及顯微組織演變分析是熱點[13?18]。而關(guān)于新型7056鋁合金及其雙級時效工藝與組織的研究目前鮮見報道，為此，本文作者主要針對新型7056鋁合金雙級時效條件下的組織和性能進行探索研究，以為7056鋁合金進一步工業(yè)化生產(chǎn)提供實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 實驗

本實驗中所用合金的化學(xué)成分如表1所列。合金經(jīng)熔煉鑄造、均勻化退火處理后，熱擠壓成截面為102 mm×25 mm的板帶。固溶制度采用468 ℃、2 h，水淬。根據(jù)前期課題研究基礎(chǔ)，選擇第一級時效為110 ℃、6 h，第二級時效溫度為150和160 ℃，時效時間為0~72 h。采用JEM?2000FX型透射電鏡(TEM)對合金的顯微組織進行觀察和分析。TEM分析樣品經(jīng)砂紙打磨至50~60 μm后，在75% CH3OH+25% HNO3(體積分數(shù))混合溶液中用MTP?1的雙噴減薄儀進行電解雙噴，雙噴參數(shù)為?20~?30 ℃，15~20 V。材料的拉伸性能在MTS?810型萬能試驗機上測定，按GB/T228.1?2010進行，拉伸速率為1 mm/min。采用WD?Z型渦流電導(dǎo)儀測試電導(dǎo)率，硬度測試在沃伯特公司430SVD型維氏硬度計上進行，加載力為49 N。

表1 實驗材料的化學(xué)成分

2 實驗結(jié)果

2.1 合金的力學(xué)性能

合金經(jīng)第一級(110 ℃、6 h)時效處理后，隨爐升溫至150和160 ℃進行不等時間第二級時效處理，其電導(dǎo)率與第二級時效時間的曲線如圖1所示。從圖1可以看出，合金的電導(dǎo)率隨第二級時效時間的延長而逐漸升高，160 ℃較150 ℃時上升趨勢更明顯。圖2所示為合金的硬度與第二級時效時間的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，在第二級時效初期，合金的硬度迅速增加到最高值，兩個溫度下合金達到峰值硬度的時間相當(dāng)；隨著第二級時效溫度的繼續(xù)升高，合金的硬度降低，且160 ℃硬度下降趨勢更為顯著。經(jīng)150 ℃時效時，合金時效4 h后硬度和電導(dǎo)率分別達到205.7 HV、19.3 MS/m，時效14 h后，合金的硬度和電導(dǎo)率分別為197.1 HV、21.72 MS/m，時效時間延長到36 h后硬度和電導(dǎo)率分布達到186.4 HV、23.3 MS/m；而在160 ℃進行時效時，4 h后合金的硬度和電導(dǎo)率為204.2 HV、20.14 MS/m，12 h后改變?yōu)?88.0HV、22.95MS/m，時效36 h則變化為173.6 HV、24.2 MS/m。

圖1 不同第二級時效溫度下合金的電導(dǎo)率隨時間的變化曲線

圖2 不同第二級時效溫度下合金的硬度隨時間的變化曲線

圖3所示為合金的強度與伸長率隨第二級時效時間的變化。從圖3可以看出，兩個溫度下合金的極限抗拉強度均隨著第二級時效時間的延長而逐漸降低，而屈服抗拉強度則先增加后降低。150 ℃時，合金經(jīng)10 h時效后屈服強度達到最高的663 MPa，14 h時效后，降低到650 MPa，而36 h時效后，迅速降低到569 MPa；160 ℃時，合金經(jīng)14 h時效后，屈服強度降低至578 MPa，36 h時效后，減少到496 MPa。

圖3 第二級時效溫度 150和 160 ℃時合金的強度和伸長率隨時間的變化曲線

2.2 合金的顯微組織

圖4和5所示分別為合金經(jīng) 110 ℃、6 h處理，隨后進行第二級150 ℃不同時間時效后的晶內(nèi)析出相和晶界形貌。從圖4可以看出，隨著第二級時效時間的延長，合金的沉淀析出相尺寸逐漸長大；晶界逐漸變寬，且晶界析出相逐漸的長大粗化，由連續(xù)分布到逐漸斷開，并出現(xiàn)較明顯的晶界無析出帶。經(jīng)110 ℃、6 h和(110 ℃、6 h)+(150 ℃、2 h)時效處理后，沉淀析出相均呈細小彌散分布，尺寸約2~3 nm；110 ℃、6 h處理合金的晶界析出相仍然十分細小且晶界呈連續(xù)分布，而經(jīng)第二級150℃、2 h處理后，晶界析出相已經(jīng)產(chǎn)生粗化，并出現(xiàn)斷續(xù)分布的特征；第二級150 ℃、12 h或150℃、18 h處理后，析出相數(shù)目減少并長得較為粗大，尺寸為8~10 nm，此時晶界析出相已發(fā)生相當(dāng)程度的粗化，且產(chǎn)生了約20 nm寬的晶界無析出帶；32 h時效后，析出相尺寸可達到15 nm左右，此時晶界析出相更加粗大，晶界無析出帶寬度達到50 nm。

圖4 新型7056鋁合金在第二級時效溫度150 ℃條件下的晶內(nèi)析出相形貌

圖5 第二級時效溫度為150 ℃時型7056鋁合金的晶界形貌

圖6所示為合金經(jīng)110 ℃、6 h預(yù)時效處理后，在160℃時效不同時間后的透射照片。從圖中可以看出，合金經(jīng)2 h時效處理后，晶內(nèi)沉淀析出相已長大到7~9 nm，晶界寬度約18 nm；經(jīng)過18 h時效處理后，析出相長大粗化已十分嚴重，此時晶內(nèi)析出相已較150 ℃、32 h處理樣品更加粗大，此時晶界無析出帶寬度達到41 nm。

圖6 第二級時效溫度為160 ℃時新型7056鋁合金的TEM像

圖7所示為不同時效狀態(tài)下的選區(qū)電子衍射花樣。從á112?晶帶軸中可以清楚地在{110}位置處觀察到Al3Zr衍射斑點，在{311}1/2位置處可見微弱的GPII區(qū)斑點，在{220}1/3和{220}2/3位置處可觀察到散射條紋，這說明合金中存在η相(見圖7(a)、(c)、(e))。從á100?晶帶軸中可以在{100}和{110}位置處觀察到Al3Zr衍射斑點，在{220}1/3和{220}2/3處觀察到η斑點(見圖7(b)、(d)、(f))；在á100?晶帶軸方向個別 {1，(2n+1)/4，0}位置處還可以看到較弱的斑點存在，這說明存在一定的GPI區(qū)。觀察圖7(f)還可以發(fā)現(xiàn)，η斑點的臨近位置處出現(xiàn)分離狀的斑點，通常被認作為η相的斑點，說明此時合金中形成了η相。因此，可以認為合金經(jīng)第二級150 ℃、12 h處理后，合金主要存在的析出相為GP區(qū)和η；而經(jīng)第二級150 ℃、32 h時效后，主要析出相為GP區(qū)、η′和η相。

圖7 新型7056鋁合金在不同時效狀態(tài)下的電子衍射花樣

3 分析與討論

雙級時效工藝相較于單級峰時效處理，主要是在強度犧牲不大的情況下獲得耐應(yīng)力腐蝕性能較好的合金。通常第一級時效作為預(yù)時效，主要起到形核作用。110 ℃、6 h處理后，即預(yù)時效處理后，獲得均勻細小而又彌散的析出相，此時合金的η′斑點較弱，說明此時合金的主要析出相為GP區(qū)以及少量的η′相。可以觀察到合金中存在GPI和GPII兩種。GPI區(qū)通常在室溫以及140 ℃的溫度區(qū)間形成，而GPII區(qū)則在450 ℃以上固溶以及70 ℃以上時效的條件下形成，相比于GPI區(qū)具有較高的穩(wěn)定性。第二級時效是高溫時效階段，也是穩(wěn)定化階段。GP區(qū)開始向亞穩(wěn)相η′轉(zhuǎn)變，并隨著第二級時效時間延長而粗化長大，并向穩(wěn)定相η轉(zhuǎn)變。在第二級150 ℃、2 h時效后，晶內(nèi)析出相仍然呈細小彌散分布，而第二級160 ℃、2 h時效處理后的樣品晶內(nèi)析出相已長大到7~9 nm，達到了150 ℃、12 h時效后的級別。7xxx系鋁合金是時效強化合金，在預(yù)時效和第二級時效早期階段，析出小尺寸的GP區(qū)和η′相，可以起到阻礙位錯滑移的作用，使合金得到強化；隨著第二級時效時間的延長，析出相粗化，位錯線繞過析出相進行移動。繞過機制所需要的臨界切應(yīng)力更低，因此，在第二級時效后期，合金的強度會出現(xiàn)下降。有研究認為[19]，當(dāng)晶內(nèi)析出相主要為η′和GP區(qū)且二者彌散分布時，合金的強度最高，這也解釋了第二級溫度為150 ℃時，合金經(jīng)2~18 h時效后，強度均較高。而對于160 ℃時，時效強度平臺較150 ℃時的明顯縮短，這是由于溫度升高時合金析出相粗化更為明顯。

在第二級時效階段，隨著時效時間的延長，η′和η相的析出、長大和粗化，一方面需要消耗大量的溶質(zhì)原子，使基體溶質(zhì)原子貧化，同時，晶界處出現(xiàn)無析出帶，晶格畸變程度降低，對基體點陣電子散射源的數(shù)量和密度減小，對傳導(dǎo)電子的阻礙減弱，引起電導(dǎo)率的增加；另一方面η′相與基體呈半共格關(guān)系，η相與基體不共格，其長大、粗化均引起晶格畸變能降低，使合金的電導(dǎo)率增加。在第二級時效初期，以溶質(zhì)原子消耗為主，此時合金的電導(dǎo)率增加迅速。隨著第二級時效時間的延長，基體內(nèi)的溶質(zhì)原子大量消耗，半共格η′相和共格的η相長大粗化起到主要作用，此時合金的電導(dǎo)率以較小的速度增加。

在7xxx系鋁合金中，基體組織決定合金的強度，而晶界組織決定合金的抗應(yīng)力腐蝕性能[20]。對于新型7056鋁合金，經(jīng)過第二級150和160 ℃時效處理后，可以獲得基體沉淀析出相在10 nm左右、析出相相對均勻分布的組織，使合金保持高強度；而根據(jù)陽極溶解理論，晶界析出相粗大、斷續(xù)分布可以減慢晶界區(qū)域在應(yīng)力腐蝕過程中的溶解速度，提高合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此，采用合適的雙級時效制度，可使新型7056鋁合金獲得優(yōu)良的綜合性能。

4 結(jié)論

1) 合金在第二級150 ℃時效時，強度在10 h達到峰值后逐漸減低，而在第二級160 ℃時效時，強度在4 h即達到峰值，時效溫度由150 ℃升高至160 ℃時，合金過時效程度顯著增加。合金的電導(dǎo)率隨著第二級時效時間的延長均呈增加趨勢。合金經(jīng)(110 ℃、6 h)+(150 ℃、14 h)時效后，屈服強度和電導(dǎo)率分別達到650 MPa、21.72 MS/m。

2) 經(jīng)110 ℃、6 h預(yù)時效處理后，合金中晶內(nèi)析出相細小彌散分布，晶界連續(xù)。在第二級150 ℃、12 h時效后，晶內(nèi)析出相長大，晶界斷續(xù)分布，具有明顯的無析出帶。合金在第二級160 ℃時效時，其析出相較150 ℃時的析出相明顯粗化。

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Microstructure and properties of two-step aged novel 7056 aluminum alloy

LIU Jun-tao1, 2, ZHANG Yong-an1, LI Xi-wu1, LI Zhi-hui1, XIONG Bai-qing1, ZHANG Ji-shan2

(1. State Key Laboratory for Fabrication and Processes of Nonferrous Metals,General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China;2. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

The properties and microstructure of two-step aged Al-9.73Zn-1.98Mg-1.76Cu aluminum alloy were studied by using of measuring properties and electrical conductivity and TEM analysis. The results show that matrix precipitates growth and coarsening, grain boundary phases distribute discontinuous, and precipitation free zone (PFZ) become broader with increasing the second ageing time. The second (150 ℃, 12 h) aged alloy consists of GP zone and η′ phase, the size of precipitates is between 7?9 nm, and PFZ can be found apparently. The electrical conductivity increases with increasing the second step ageing time, while yield strength increases firstly, and then reduces. Alloy aged at (110 ℃, 6 h)+(150 ℃, 14 h) can obtain the yield strength of 650 MPa, and electrical conductivity of 21.72 MS/m, which shows good performance matching.

7056 aluminum alloy; two-step ageing; microstructure; property

Project(2016YFB0300803) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(2012CB619504) supported by the National Basic Research Development of China; Project(51274046) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2010DFB50340) supported by the International Cooperation of Science and Technology

2014-10-30; Accepted date: 2016-07-10

ZHANG Yong-an; Tel: +86-10-82241165; E-mail: zhangyongan@grinm.com

1004-0609(2016)-09-1850-08

TG146.2

A

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0300803)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2012CB619504)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51274046)；國際科技合作項目(2010DFB50340)

2014-10-30；

2016-07-10

張永安，教授，博士；電話：010-82241165；E-mail：zhangyongan@grinm.com

(編輯 龍懷中)