AFAM 7050鋁合金的時效工藝研究

孫獎，楊濱，東青，劉清賢

1北京科技大學，北京，100083；2西雅圖先進技術(shù)研究院（ATII）

序言

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)是采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1-5]。AM具有直接制造、快速制造、縮短周期、節(jié)約材料等優(yōu)勢，在航空航天、國防、醫(yī)療、建筑設(shè)計、電子電器、汽車制造、船舶制造等領(lǐng)域裝備的研制、生產(chǎn)和使用維護等方面，都有巨大應(yīng)用價值和廣闊應(yīng)用前景[6-9]。

AFAM是在攪拌摩擦增材制造（FSAM）基礎(chǔ)上將“純核細晶”與鍛壓、熱處理工藝、自動控制和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)精髓相融合，形成了主要面向現(xiàn)有材料牌號、裝備技術(shù)轉(zhuǎn)型升級和下一代無序合金增材制造的新方法。AFAM利用熱熔性材料摩擦生熱軟化的特性，使合金處在半固態(tài)狀態(tài)下完成增材過程，其示意圖如圖1所示。AFAM 7050鋁合金以攪拌摩擦熱為熱源，避免了鋁合金在激光熱源下鋁合金表面氧化、粉體流動性差、液鋁對激光的高反射率以及在電子束下表面球化嚴重、殘余應(yīng)力和變形大等問題；頂鍛壓力的存在對于細化晶粒、致密組織也具有重要的作用；由于過程中不存在熔化，可避免熔化后帶來夾雜、偏析等缺陷；頂增與側(cè)增的組合使用，可以大幅度提高增材效率[10-11]。本文研究了不同時效工藝對AFAM 7050鋁合金的組織與硬度的影響，對于AFAM 7050鋁合金的應(yīng)用具有重要意義。

圖1 AFAM示意圖

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗所采用的7050鋁合金主要化學成分見表1。

表1 7050鋁合金成分（wt.%）

1.2 實驗方法

采用專用增材攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，手動控制增材速度進行增材，每層增材厚度可達0.5～3.5mm。

將試樣加熱到475℃保溫45min后立即進行水淬處理，隨后進行不同的時效處理。①一級時效：120℃保溫24h，②雙級時效：在120℃的電阻爐中保溫4h進行預(yù)時效處理，隨后在160℃對試樣進行0.5h、3h、8h、24h的終時效處理。

對固溶淬火后不同時效處理的試樣進行微觀組織分析和維氏硬度測試。試樣所用腐蝕劑為Keller試劑，其成分為：1mLHF+1.5mL HCl +2.5 mLHNO3+95mLH2O。采用維氏硬度計對試樣不同厚度方向進行硬度測試，加載載荷為50g，加載時間為10s，橫向間距為0.9mm，厚度方向間距為2mm。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同時效工藝對組織的影響

圖2為AFAM 7050鋁合金原始態(tài)和時效處理后的組織，可以看出，AFAM 7050鋁合金組織分布并不均勻，呈Ⅰ與Ⅱ兩種形貌交替分布，其中Ⅰ區(qū)表示再結(jié)晶區(qū)，Ⅱ區(qū)表示再結(jié)晶區(qū)之間的連接區(qū)。從原始態(tài)圖2（a）中可以得到再結(jié)晶晶粒呈橢球形，晶粒尺寸大約為3μm～8μm。從圖2（b-f）可以看出經(jīng)時效處理后晶粒發(fā)生了一定程度的長大，晶界也出現(xiàn)了平直化現(xiàn)象，析出了第二相。AFAM 7050鋁合金晶粒由于受到攪拌頭的攪拌作用以及摩擦熱的作用產(chǎn)生塑性變形，導致亞晶粒之間的應(yīng)變不相容，亞晶粒不斷吸收位錯發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來不及長大就在攪拌針的機械作用下發(fā)生了破碎，從而形成等軸、細小的晶粒。

圖3是AFAM 7050鋁合金的SEM圖和EDS圖。從圖3（a）可以看出原始態(tài)具有很多孔洞，孔洞里分布少量粗大第二相，從圖3（b）可以看出單級時效24h后沿晶界出析出了一些第二相，孔洞類缺陷有所改善，但是結(jié)合類缺陷依然存在。從圖3（c）可以看出雙級時效120℃/4h+160℃/3h后，晶內(nèi)析出了細小第二相，沿晶界析出了粗大的第二相，從圖3（d）可以得出這些粗大的第二相是富銅的Al2CuMg（S相）和AlCuMgZn（T相）。

圖2 AFAM 7050鋁合金顯微組織

圖3 AFAM 7050鋁合金SEM與EDS

圖4 AFAM 7050鋁合金硬度

2.2 時效工藝對硬度的影響

圖4（a）為AFAM 7050鋁合金橫向硬度，隨著距增材中心距離的增大，硬度呈現(xiàn)先逐漸減小再逐步增大，然后減小再增大的過程。圖4（b）為AFAM 7050鋁合金厚度方向硬度，硬度呈現(xiàn)先逐步增大再減小的過程，上表面硬度最低，主要是由于后道次增材對前道次增材具有一定的后熱作用。7050是可熱處理強化鋁合金，AFAM 7050鋁合金硬度主要與顯微組織和析出相的變化有關(guān)，析出相的形態(tài)、分布對其強度、硬度影響很大，它們的存在對位錯的運動產(chǎn)生阻礙作用。時效后，AFAM 7050鋁合金能夠析出了更多均勻分布的細小第二相，對位錯的運動產(chǎn)生阻礙作用，可以顯著提高材料的強度和硬度。不同時效后硬度先增加后減小，可以得到最佳的時效工藝為：120℃/4h預(yù)處理+160℃/3h終時效。

3 結(jié)論

（1）AFAM 7050鋁合金由等軸、細小晶粒的再結(jié)晶區(qū)與其連接區(qū)兩種形貌交替分布組成，再結(jié)晶晶粒平均尺寸大約為3-8μm，時效處理后，晶粒發(fā)生了一定程度的長大，晶界出現(xiàn)了平直化現(xiàn)象。

（2）單級時效和雙級時效會沿晶界析出粗大富銅的Al2CuMg（S相）和Al2CuMgZn（T相）第二相，并在晶內(nèi)析出一些細小的第二相。時效對孔洞類缺陷具有改善作用，但結(jié)合類缺陷依然存在。

（3）AFAM 7050鋁合金厚度方向硬度存在梯度，上表層硬度最小。時效后硬度先增加后減小，最佳時效工藝為120℃/4h預(yù)處理+160℃/3h終時效。

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