Cu含量對噴射成形7055鋁合金微觀組織和力學性能的影響

陸正萍 張楨 蔣云澤

摘要：

通過拉伸試驗、沖擊試驗以及微觀組織觀察試驗，分析降低Cu含量對噴射成形7055鋁合金強度、斷裂韌性和微觀組織的影響。力學性能試驗表明，7055鋁合金中Cu的質量分數由2.55%降低到2.17%時，對其強度和伸長率影響不大，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。

關鍵詞：

噴射成形; 7055鋁合金; Cu含量; 微觀組織; 力學性能

中圖分類號： TG 456.9 文獻標志碼： 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

采用傳統鑄造方法制備的7xxx（AlZnMgCu）系鋁合金，當Zn含量超過8%時（無特殊說明時，本文中含量均為質量分數），鑄錠晶粒粗大，且容易產生成分偏析和鑄造熱裂紋等缺陷，限制了鋁合金的應用。采用噴射成形方法制備的超高強度鋁合金能有效避免上述問題。噴射成形方法制備的7xxx系鋁合金經熱處理后抗拉強度達到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強化相，從而提高合金的塑性、韌性和疲勞強度。Cu原子溶入GP區可提高GP區的穩定溫度范圍，同時，Cu原子還可進入η和η′相中提高7xxx系鋁合金的抗應力腐蝕性能[3-4]。工業上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含量達到0.8%已足夠，但為了提高產品的耐高溫性能并防止鑄造時發生熱裂，所以將合金中的Cu含量提高到2.0%～2.6%。

超高強度鋁合金存在強度、塑性和韌性的矛盾[6]。合金中的Fe，Si雜質元素形成的粗大難溶的雜質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度、塑性和韌性，但是效果不佳。據報道，T77熱處理工藝能夠在大幅度提高7xxx系鋁合金強度的同時提高其韌性[8-9]，但是國內T77熱處理工藝并未被開發出來[10]。本文研究控制原材料Cu含量對噴射成形7055鋁合金組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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的基礎上，鋁合金中Cu含量由原來的2.55%調整為2.17%。Cu含量調整前后的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 試驗方法

室溫拉伸試驗沿縱向取樣，按照《GB/T 228.1金屬材料拉伸實驗 第1部分：室溫實驗方法》制取試樣并進行拉伸，拉伸試驗機型號為XD120A。斷裂韌性測試試樣制取和試驗按照《GB/T 4161—2007 金屬材料 平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》進行，試驗機型號為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）上進行。物相分析在能譜儀（EDS）上進行。

表1 7055（A）和7055（B）鋁合金的化學成分（質量分數，%）

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

2 試驗結果及討論

2.1 室溫拉伸

圖1是7055（A）和7055（B）鋁合金的室溫拉伸試驗結果。從圖1（a）中可以看出，7055（A）鋁合金的T76態鍛件縱向的抗拉強度平均為636 MPa，屈服強度平均為615 MPa，伸長率平均為11.2%。7055（B）鋁合金的T76態鍛件縱向的抗拉強度平均為619 MPa，屈服強度平均為597 MPa，伸長率平均為11.9%。可見，Cu含量降低0.38%后，兩種試驗合金的抗拉強度和屈服強度略有降低，但降幅并不明顯，其伸長率有所提高。

2.2 斷裂韌性

7xxx系鋁合金因強度高，廣泛用于飛機構件。但是由于7xxx系鋁合金中產生的微裂紋容易在疲勞載荷下或腐蝕介質中失效，易發生低于屈服強度的脆性斷裂，因此提高斷裂韌性是高強鋁合金推廣應用的關鍵[3]。

圖2是7055（A）和7055（B）鋁合金的斷裂韌性試驗結果。

從圖2中可以看出，當合金中Cu含量為2.55%時，T76態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，晶界上存在不連續的孔洞，但孔洞直徑<1 μm，對

合金性能影響不大。從圖3（a）中可以看出，7055（A）

鋁合金的晶粒內部有細小彌散相析出。這些細小彌散相主要是MgZn2相，還有少量Al2CuMg相，其中MgZn2相是噴射成形7055鋁合金的主要強化相[11]。圖3（a）中的晶界上出現了數量較多的不連續的粗大析出相，部分析出相長度約為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，晶粒中分布著數量較多的細小彌散的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，對圖3（a）選區中出現的粗大析出相做EDS面掃描分析，分析結果見圖4，各相含量見表2。從圖4中EDS面掃描分析結果可以看出，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面掃描分析結果（質量分數，%）

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。對比圖5（a）和（b）可以發現，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，這與拉伸試驗中降低Cu含量后伸長率有所提高的結果一致。圖5（a）中的韌窩中存在數量較多的第二相顆粒，部分顆粒已經破碎，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一步放大，見圖6（a）。從圖6（a）中可以看出斷口中出現的第二相尺寸、形貌不一，有尺寸較小的顆粒狀和尺寸較大的塊狀。對兩種形態的第二相做EDS點掃描分析，結果見圖6（b）。從EDS分析結果可以看出，檢測的兩個第二相均為Al7Cu2Fe相。

研究表明，7xxx系鋁合金中Cu含量較高時，如果存在較多的Fe，Si等雜質，它們會與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化相，同時改變了強化相結構，使高強鋁合金時效后組織更為細小彌散，有利于提高合金的強度和塑性。同時，Cu存在于高強鋁合金中也有利于改善鋁合金的抗應力腐蝕性能[14]。

本試驗中Cu含量降低了0.38%，對合金的強度和伸長率影響不大，但是如果Cu含量降低很多，則會減少強化相的析出，使合金的強度明顯降低。因此，為了提高噴射成形7055鋁合金的韌性，同時又不降低其強度和塑性，考慮除微量降低Cu含量外可以采取進一步降低Fe，Si雜質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點掃描分析結果

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

tensile fracture surface of 7055（A） aluminum alloy

3 結 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態鍛件縱向晶界上存在數量較多的

Al7Cu2Fe粗大析出相。

（2） Cu含量降低后，7055鋁合金的抗拉強度和屈服強度分別由636 MPa和615 MPa降低至619 MPa和597 MPa，伸長率由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系鋁合金中是強化相組成元素，且對提高合金的強度、塑性和抗應力腐蝕能力有重要意義，因此為減少粗大Al7Cu2Fe相的形成可考慮進一步降低Fe，Si等雜質元素的含量。

參考文獻：

[1] 劉曉濤，崔建忠.AlZnMgCu系超高強鋁合金的研究進展[J].材料導報，2005，19（3）：47-51.

[2] 虞紅春，龔靜，張寧，等.AlZnMgCu系超高強鋁合金的研究進展[J].世界有色金屬，2013（增刊1）：268-271.

[3] 陳康華，方華嬋，陳祥.復合添加Zr、Cr和Pr對AlZnMgCu合金組織和性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010，20（2）：195-201.

[4] 王濤，尹志民.高強變形鋁合金的研究現狀和發展趨勢[J].稀有金屬，2006，30（2）：197-202.

[5] 金相圖譜編寫組.變形鋁合金相圖譜[M].北京：冶金工業出版社，1975.

[6] TROYANOV V A，UKSUSNIKOV A N，SENATOROVA O G，et al.Structure-phase changes during two-stage aging Al-Zn-Mg-Cu Systems high-strength alloys[J].Inorganic Materials：Applied Research，2014，5（1）：1-5.

[7] Le Gal E.雜質含量對7055鋁合金微觀組織與應力腐蝕性能的影響[D].上海：上海交通大學，2015.

[8] 岳庚新.7055鋁合金的熱處理工藝研究[D].廊坊：北華航天工業學院，2014.

[9] 鄭皓.7055鋁合金及環軋件的組織與熱處理工藝[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[10] 汝繼剛，伊琳娜.高純化對AlZnMgCu系高強鋁合金性能的影響[J].航空材料學報，2003，23（增刊1）：5-7.

[11] 李先聚，楊杰，張豪，等.噴射成形7055鋁合金的顯微組織和力學性能[J].中國有色金屬學報，2007，17（12）：1987-1992.

[12] 佘歡，疏達，儲威，等.Fe和Si雜質元素對7×××系高強航空鋁合金組織及性能的影響[J].材料工程，2013（6）：92-98.

[13] 劉宏亮，疏達，王俊，等.超高強鋁合金中雜質元素的研究現狀[J].材料導報，2011，25（3）：84-88.

[14] 湯玉瓊，周鐵濤，劉培英.高銅含量對超高強度鋁合金力學性能的影響[C]∥第十屆全國青年材料科學技術研討會.長沙：中國有色金屬學會，2005.