陸正萍 張楨 蔣云澤

摘要：

通過拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)以及微觀組織觀察試驗(yàn)，分析降低Cu含量對(duì)噴射成形7055鋁合金強(qiáng)度、斷裂韌性和微觀組織的影響。力學(xué)性能試驗(yàn)表明，7055鋁合金中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.55%降低到2.17%時(shí)，對(duì)其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率影響不大，但Cu含量降低后合金的斷裂韌性顯著提高。微觀組織分析表明，Cu含量降低前晶界上存在粗大的Al7Cu2Fe相，Cu含量降低后晶界上的粗大析出相明顯減少;斷口分析表明，Cu含量降低前拉伸斷口中存在較多的Al7Cu2Fe第二相，Cu含量降低后Al7Cu2Fe第二相明顯減少。

關(guān)鍵詞：

噴射成形; 7055鋁合金; Cu含量; 微觀組織; 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG 456.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effects of Cu Content on Microstructure and Mechanical

Properties of Spray Formed 7055 Aluminum Alloy

LU Zhengping ZHANG Zhen JIANG Yunze2

（1.Jingjiang College， Jiangsu University， Zhenjiang 212000， China;

2.Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co.， Ltd.， Zhenjiang 212000， China）

Abstract：

Tensile strength，fracture toughness and microstructure of spray formed 7055 aluminum were studied by tensile test，impact test and metallographic examination.The mechanical properties test showed that the mass fraction of Cu in 7055 aluminum alloy decreased from 2.55% to 2.17%，which had little influence on the strength and elongation.However，the fracture toughness increased significantly after the Cu content decreased.The microstructure analysis shows that there is a coarse phase in the grain boundary before the Cu content decreases.The energy spectrum analysis shows that the coarse phase is Al7Cu2Fe phase.After the Cu content is reduced，the precipitated phase at the grain boundary is significantly reduced.Fracture analysis shows that there are more second phases in the tensile fracture before the decrease of Cu content.Energy spectrum analysis shows that the second phase is Al7Cu2Fe phase，and the second phase is obviously reduced after Cu content is reduced.

Keywords：

spray formed; 7055 aluminum alloy; Cu content; microstructure; mechanical property

采用傳統(tǒng)鑄造方法制備的7xxx（AlZnMgCu）系鋁合金，當(dāng)Zn含量超過8%時(shí)（無特殊說明時(shí)，本文中含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），鑄錠晶粒粗大，且容易產(chǎn)生成分偏析和鑄造熱裂紋等缺陷，限制了鋁合金的應(yīng)用。采用噴射成形方法制備的超高強(qiáng)度鋁合金能有效避免上述問題。噴射成形方法制備的7xxx系鋁合金經(jīng)熱處理后抗拉強(qiáng)度達(dá)到750 MPa[1-2]。

Cu是7xxx系鋁合金中的主要元素之一。Cu與Al能和Mg形成Al2CuMg強(qiáng)化相，從而提高合金的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度。Cu原子溶入GP區(qū)可提高GP區(qū)的穩(wěn)定溫度范圍，同時(shí)，Cu原子還可進(jìn)入η和η′相中提高7xxx系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能[3-4]。工業(yè)上7xxx系鋁合金中Cu含量一般為0.8%～3.0%[1，5]。理論上，7xxx系鋁合金中Cu含量達(dá)到0.8%已足夠，但為了提高產(chǎn)品的耐高溫性能并防止鑄造時(shí)發(fā)生熱裂，所以將合金中的Cu含量提高到2.0%～2.6%。

超高強(qiáng)度鋁合金存在強(qiáng)度、塑性和韌性的矛盾[6]。合金中的Fe，Si雜質(zhì)元素形成的粗大難溶的雜質(zhì)相是降低合金斷裂韌性的主要原因[7]，且在含Cu量較高的合金中主要形成Al7Cu2Fe相[3-4]。一般采用熱處理來提高合金的強(qiáng)度、塑性和韌性，但是效果不佳。據(jù)報(bào)道，T77熱處理工藝能夠在大幅度提高7xxx系鋁合金強(qiáng)度的同時(shí)提高其韌性[8-9]，但是國(guó)內(nèi)T77熱處理工藝并未被開發(fā)出來[10]。本文研究控制原材料Cu含量對(duì)噴射成形7055鋁合金組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所采用的兩種噴射成形7055鋁合金鍛件在符合GB/T 3190的基礎(chǔ)上，鋁合金中Cu含量由原來的2.55%調(diào)整為2.17%。Cu含量調(diào)整前后的7055鋁合金分別用7055（A）和7055（B）鋁合金表示，成分見表1。噴射成形7055鋁合金工藝流程為：噴射鋁→擠壓至122 mm×172 mm×360 mm→由122 mm鐓粗至65 mm，采用T76熱處理工藝。

1.2 試驗(yàn)方法

室溫拉伸試驗(yàn)沿縱向取樣，按照《GB/T 228.1金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn) 第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法》制取試樣并進(jìn)行拉伸，拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為XD120A。斷裂韌性測(cè)試試樣制取和試驗(yàn)按照《GB/T 4161—2007 金屬材料 平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為MTS50KN2。顯微組織和拉伸斷口觀察在日立JSM6480型掃描電子顯微鏡（SEM）上進(jìn)行。物相分析在能譜儀（EDS）上進(jìn)行。

表1 7055（A）和7055（B）鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Tab.1 Compositions of 7055（A） and 7055（B） Al-alloy（mass fraction，%）

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 室溫拉伸

圖1是7055（A）和7055（B）鋁合金的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。從圖1（a）中可以看出，7055（A）鋁合金的T76態(tài)鍛件縱向的抗拉強(qiáng)度平均為636 MPa，屈服強(qiáng)度平均為615 MPa，伸長(zhǎng)率平均為11.2%。7055（B）鋁合金的T76態(tài)鍛件縱向的抗拉強(qiáng)度平均為619 MPa，屈服強(qiáng)度平均為597 MPa，伸長(zhǎng)率平均為11.9%?？梢姡珻u含量降低0.38%后，兩種試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有降低，但降幅并不明顯，其伸長(zhǎng)率有所提高。

2.2 斷裂韌性

7xxx系鋁合金因強(qiáng)度高，廣泛用于飛機(jī)構(gòu)件。但是由于7xxx系鋁合金中產(chǎn)生的微裂紋容易在疲勞載荷下或腐蝕介質(zhì)中失效，易發(fā)生低于屈服強(qiáng)度的脆性斷裂，因此提高斷裂韌性是高強(qiáng)鋁合金推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[3]。

圖2是7055（A）和7055（B）鋁合金的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果。

從圖2中可以看出，當(dāng)合金中Cu含量為2.55%時(shí)，T76態(tài)鍛件縱向斷裂韌性平均為26.72 MPa·m1/2，Cu含量降低到2.17%后斷裂韌性平均為42.29 MPa·m1/2，斷裂韌性提高58.27%。這說明Cu含量降低對(duì)提高合金的斷裂韌性效果十分顯著。

圖1 7055（A）和7055（B）鋁合金室溫拉伸性能

Fig.1 Tensile properties of 7055（A） and 7055（B） aluminum alloys at room temperature

圖2 7055（A）與7055（B）鋁合金的斷裂韌性

Fig.2 Fracture toughness properties of 7055（A） and 7055（B） aluminum alloys

2.3 顯微組織

圖3是7055（A）和7055（B）鋁合金T76態(tài)鍛件

縱向顯微組織的SEM照片。

從圖3中可以看出，晶界上存在不連續(xù)的孔洞，但孔洞直徑<1 μm，對(duì)

合金性能影響不大。從圖3（a）中可以看出，7055（A）

鋁合金的晶粒內(nèi)部有細(xì)小彌散相析出。這些細(xì)小彌散相主要是MgZn2相，還有少量Al2CuMg相，其中MgZn2相是噴射成形7055鋁合金的主要強(qiáng)化相[11]。圖3（a）中的晶界上出現(xiàn)了數(shù)量較多的不連續(xù)的粗大析出相，部分析出相長(zhǎng)度約為10 μm。圖3（b）是7055（B）鋁合金的顯微組織。從圖3（b）中可以看出，晶粒中分布著數(shù)量較多的細(xì)小彌散的MgZn2相，且晶界上有尺寸較小的孔洞，與圖3（a）一致，但晶界上粗大析出相數(shù)量明顯減少。

為研究Cu含量降低前晶界上粗大析出相是否與Cu含量有關(guān)，對(duì)圖3（a）選區(qū)中出現(xiàn)的粗大析出相做EDS面掃描分析，分析結(jié)果見圖4，各相含量見表2。從圖4中EDS面掃描分析結(jié)果可以看出，晶界上的析出相是Al7Cu2Fe相。這說明Cu的存在是晶界處粗大析出相形成的主要原因，因此可以通過適量減少Cu含量來減少粗大的Al7Cu2Fe相的形成。

圖3 7055（A）與7055（B）鋁合金微觀組織SEM照片

Fig.3 SEM images of microstructure of 7055（A） and 7055（B） aluminum alloys

圖4 7055（A）鋁合金中粗大析出相的EDS面掃描分析照片

Fig.4 EDS spectra analysis images of large precipitate phase in 7055（A） aluminum alloy

表2 7055（A）鋁合金中粗大析出相EDS面掃描分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Tab.2 EDS spectra analysis results of large precipitate phase in 7055（A） aluminum alloy（mass fraction，%）

2.4 拉伸斷口

圖5為是7055（A）和7055（B）鋁合金拉伸斷口的SEM照片。從圖5中可以看出，斷口都有明顯的韌窩特征，說明成分改變前后，兩種合金斷裂方式都屬于韌性斷裂。對(duì)比圖5（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，圖5（b）中的韌窩較圖5（a）更加明顯，且更深，說明Cu含量降低后材料塑性有所提高，這與拉伸試驗(yàn)中降低Cu含量后伸長(zhǎng)率有所提高的結(jié)果一致。圖5（a）中的韌窩中存在數(shù)量較多的第二相顆粒，部分顆粒已經(jīng)破碎，并且韌窩周圍也存在這樣的第二相顆粒，且尺寸較大。圖5（b）中的韌窩中也存在這樣的第二相，但是數(shù)量明顯減少。

圖5 7055（A），7055（B）鋁合金拉伸斷口的SEM照片

Fig.5 SEM images of tensile fracture surfaces of 7055（A）and 7055（B） aluminum alloys

將7055（A）鋁合金的拉伸斷口進(jìn)一步放大，見圖6（a）。從圖6（a）中可以看出斷口中出現(xiàn)的第二相尺寸、形貌不一，有尺寸較小的顆粒狀和尺寸較大的塊狀。對(duì)兩種形態(tài)的第二相做EDS點(diǎn)掃描分析，結(jié)果見圖6（b）。從EDS分析結(jié)果可以看出，檢測(cè)的兩個(gè)第二相均為Al7Cu2Fe相。

研究表明，7xxx系鋁合金中Cu含量較高時(shí)，如果存在較多的Fe，Si等雜質(zhì)，它們會(huì)與Cu，Mg等形成粗大的金屬間化合物[12-13]。粗大的金屬間化合物硬而脆且與基體非共格，即使應(yīng)力較低也容易破碎或與基體分離形成孔洞。因此，粗大的金屬間化合物是影響合金斷裂韌性的重要因素。所以，降低Cu含量的7055（B）鋁合金的斷裂韌性顯著提高。但是在7xxx系鋁合金中，Cu是主要強(qiáng)化元素之一，Cu在Al中的平衡極限固溶度為5.65%，Cu的存在能形成固溶強(qiáng)化相，同時(shí)改變了強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)，使高強(qiáng)鋁合金時(shí)效后組織更為細(xì)小彌散，有利于提高合金的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，Cu存在于高強(qiáng)鋁合金中也有利于改善鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能[14]。

本試驗(yàn)中Cu含量降低了0.38%，對(duì)合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率影響不大，但是如果Cu含量降低很多，則會(huì)減少強(qiáng)化相的析出，使合金的強(qiáng)度明顯降低。因此，為了提高噴射成形7055鋁合金的韌性，同時(shí)又不降低其強(qiáng)度和塑性，考慮除微量降低Cu含量外可以采取進(jìn)一步降低Fe，Si雜質(zhì)含量的措施來減少粗大Al7Cu2Fe相的形成。

圖6 7055（A）鋁合金拉伸斷口中第二相的SEM照片和EDS點(diǎn)掃描分析結(jié)果

Fig.6 SEM image and EDS point analysis results of second-phase in

tensile fracture surface of 7055（A） aluminum alloy

3 結(jié) 論

（1） 噴射成形的7055鋁合金中，Cu含量由2.55%降低至2.17%后，T76態(tài)鍛件縱向晶界上存在數(shù)量較多的

Al7Cu2Fe粗大析出相。

（2） Cu含量降低后，7055鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別由636 MPa和615 MPa降低至619 MPa和597 MPa，伸長(zhǎng)率由11.2%提高至11.9%。

（3） Cu含量降低后，斷裂韌性由26.72 MPa·m1/2提高至42.29 MPa·m1/2，斷裂韌性提高58.27%。降低Cu含量減少了Al7Cu2Fe粗大析出相，對(duì)提高斷裂韌性效果顯著。

（4） Cu含量降低前拉伸斷口中存在較多的Al7Cu2Fe第二相，Cu含量降低后第二相明顯減少。

（5） 由于Cu在7xxx系鋁合金中是強(qiáng)化相組成元素，且對(duì)提高合金的強(qiáng)度、塑性和抗應(yīng)力腐蝕能力有重要意義，因此為減少粗大Al7Cu2Fe相的形成可考慮進(jìn)一步降低Fe，Si等雜質(zhì)元素的含量。

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