7 系高強(qiáng)鋁合金變形強(qiáng)化工藝與組織性能關(guān)系

鄭曉靜

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

7xxx 系（Al-Zn-Mg-Cu）超高強(qiáng)鋁合金，具有高比強(qiáng)、高韌、良好加工性、和耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域作為主要承力結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，伴隨著某些先進(jìn)機(jī)型研制，合金由原來的高強(qiáng)鋁合金變?yōu)榱顺邚?qiáng)鋁合金， 需要在韌性不變的情況下，進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，以適應(yīng)更高應(yīng)力及壽命需求。

7 系鋁合金由于強(qiáng)度高的特點(diǎn)，劇烈的變形使位錯(cuò)密度提高，且這些位錯(cuò)在隨后的熱處理過程中不能完全消除，產(chǎn)生位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)。在強(qiáng)化過程中，合金元素成分含量越高， 則在變形過程遇到的阻力也就越大，合理的變形溫度和合適的變形量是保障樣品不在加工過程中開裂的基礎(chǔ)，提高了加工合格率是一個(gè)合金能否得到工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)，同時(shí)，合理的變形工藝才能得到組織良好的樣品，為后續(xù)產(chǎn)品成型，產(chǎn)品使用性能實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)通過壓力試驗(yàn)機(jī)控制合金變形量，獲得合金最合理的變形溫度范圍，以及在溫度下的變形量， 用于改善最終產(chǎn)品的性能和組織，提高產(chǎn)品使用性能和使用壽命。

本次實(shí)驗(yàn)合金是一種新型的超高強(qiáng)鋁合金，其Zn 含量超過11%，突破傳統(tǒng)7 系鋁合金極限，在傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造工藝下，該成分合金在國內(nèi)外均無相關(guān)報(bào)道，為了在實(shí)際成型過程中，為了追求更高的成型性能，需要更加充分利用該合金變形強(qiáng)化能力。 實(shí)驗(yàn)采用壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬合金變形工藝，變形方向是壓縮變形，實(shí)驗(yàn)過程中，跟蹤合金在溫度及不同變形量下的開裂情況， 分析合金在不同溫度下組織性能變化，用于該合金在工業(yè)應(yīng)用下的變形工藝確定。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的材料為均勻化處理的半連鑄坯，化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 壓縮試驗(yàn)設(shè)備及裝具

本試驗(yàn)依靠壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)多次墩粗。

控制變形量鋼模:鋼模為方形，不同高度的內(nèi)孔放置樣品，用于控制變形量，為了便于計(jì)算，內(nèi)孔外徑控制在100 mm，內(nèi)孔高度為6～16 mm，高度間隔差為2 mm。

加熱爐為0～500℃高溫箱式電阻爐， 溫度偏差小于±5℃

1.2.2 試驗(yàn)方法

通過DSC 及固溶熱處理試驗(yàn)分析， 在研合金過燒點(diǎn)為475℃， 因此制定的溫度點(diǎn)為270～480℃，每30℃一個(gè)間隔點(diǎn)， 變形量設(shè)計(jì)為30%～80%， 每增加10%變形量為一組間隔點(diǎn)。 具體步驟如下：

（1） 試樣機(jī)加工成尺寸為Φ20 mm×20 mm 的圓柱試樣若干塊；

表1 合金成分表

（2）試樣置于加熱爐內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在第一組溫度點(diǎn)（300℃）后，保溫30 min；

（3）壓力試驗(yàn)機(jī)上夾頭升至固定高度，放入模具，試樣放入鋼模具的中心孔， 設(shè)置上夾頭移動(dòng)速度，使其速度為定值（不同試驗(yàn)機(jī)設(shè)置速度不同），壓下后保持10min，完成一次實(shí)驗(yàn)；

（4）升起上夾頭，觀察試樣是否出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并拍照，同一種實(shí)驗(yàn)重復(fù)至少33 次，以便于避免模擬實(shí)驗(yàn)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差；若試樣有微小裂紋（1 級(jí)），則需要重復(fù)同一參數(shù)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)驗(yàn)證次數(shù)大于3 次，若試樣沒有裂紋（0 級(jí)），則開展另一組變形量實(shí)驗(yàn)，直至出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋；

（5）完成第一組（300℃）所有變形量實(shí)驗(yàn)后，溫度升高，至下一個(gè)溫度點(diǎn)，重復(fù)上述保溫及不同變形量實(shí)驗(yàn)，直至所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2.3 組織分析方法

（1）金相組織觀察。

金相組織觀察在英國產(chǎn)ZISS 100 的金相顯微鏡上進(jìn)行，試樣的制備是通過截取金相試樣，采用Keller試劑腐蝕后。

（2）透射電鏡（TEM）分析。

透射電鏡分析在EOL JEM-2010 型分析電鏡上進(jìn)行，觀察時(shí)效態(tài)鍛件晶內(nèi)和晶界沉淀相的析出情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金變形量

從變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，合金在≤300℃時(shí)，出現(xiàn)小裂紋（1 級(jí)別裂紋）的變形量臨界點(diǎn)是40%，出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋（2 級(jí)別裂紋）的變形量臨界點(diǎn)是50%；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高， 合金呈現(xiàn)出塑型先升高后下降的趨勢(shì)，合金在（410±10）℃時(shí)，開裂臨界點(diǎn)變形量80%，溫度繼續(xù)升高，至480℃，變形臨界點(diǎn)呈現(xiàn)明顯下降，為50%，可見此時(shí)合金的塑型也出現(xiàn)了明顯下降。

2.3 高倍組織

2.3.1 試樣各部位對(duì)組織影響

為了觀察試樣內(nèi)外變形組織是否均勻，將試樣沿縱向剖開，觀察由內(nèi)至外，由上至下的組織變化情況。從結(jié)果可以看出來，試樣心部，均表現(xiàn)為晶粒被拉長，呈現(xiàn)明顯的纖維組織，而心部左右兩邊表現(xiàn)為羽毛狀放射型組織，且越近邊部，放射向外延伸，晶粒尺寸就越大，而試樣上邊部及下邊部表現(xiàn)為晶粒破碎，完全沒有纖維組織出現(xiàn)，也就是說晶粒沒有被拉長。

2.3.2 變形工藝對(duì)組織影響

由于同試樣不同位置組織差異較大，評(píng)價(jià)不同變形工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該選取最具有典型性的部位進(jìn)行對(duì)比，本次實(shí)驗(yàn)選取心部進(jìn)行觀察。圖2 為典型圖片。從對(duì)比結(jié)果來看，當(dāng)合金變形溫度比較低時(shí)，合金變形量小，沿著變形方向拉伸效果不明顯，未達(dá)到明顯的纖維組織，晶粒有明顯拉伸紋理，但當(dāng)溫度升高，變形量達(dá)到50%時(shí)，呈現(xiàn)明顯的拉伸纖維組織，晶粒尺寸細(xì)小；當(dāng)變形溫度進(jìn)一步提高，至500℃時(shí)，晶粒尺寸變大，對(duì)其進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，可獲得晶粒變大臨界溫度是450℃。

圖1 不同變形量組織（200X）

圖2 不同變形工藝組織（200X）

3 合理的變形工藝制定

臨界變形量與溫度密切相關(guān)， 合金初始變形時(shí)，隨著變形量的增加，合金位錯(cuò)密度也在增加，此時(shí)，合金組織呈現(xiàn)晶粒沿著拉伸方向被拉長、 甚至破碎，直至形成亞晶；但隨著溫度上升，合金層錯(cuò)能進(jìn)一步升高，合金內(nèi)部發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，此時(shí)合金位錯(cuò)密密度減小，合金變形能力提高；但當(dāng)進(jìn)一步提高變形溫度，該溫度一旦超過合金過燒點(diǎn)，此時(shí)合金組織已經(jīng)嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)過燒組織，導(dǎo)致合金的強(qiáng)塑性均明顯下降。對(duì)于該在研超高強(qiáng)鋁合金來說，其最終用途除了高強(qiáng)外，還有高韌性長壽命的要求，同時(shí)還需要考慮其加工性能，因此變形工藝更嚴(yán)格。通過上述實(shí)驗(yàn)，綜合分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變形溫度為≤300℃時(shí)，由于溫度較低，合金的塑性差，合金極限變形量為小于40%時(shí)，通過顯微鏡下觀察，變形量為40%時(shí)無裂紋，當(dāng)變形量到50%時(shí)，顯微鏡下觀察裂紋，發(fā)現(xiàn)主裂紋長度約為2 mm，沿著主裂紋，周邊萌生較多的次生裂紋，將這些次生裂紋放大可以發(fā)現(xiàn)， 這些裂紋均是沿著晶界發(fā)展而來，并沿著晶界生長，表現(xiàn)為明顯的沿晶斷裂模式，說明此時(shí)合金塑型較差；當(dāng)溫度升高，由于受位錯(cuò)效應(yīng)影響，合金變形能力提高，晶粒間滑移系增多，活性增加，由于晶粒間協(xié)調(diào)性增加，提高了合金塑型，因此活性增加，該溫度臨界點(diǎn)是（410±10）℃，此時(shí)變形量為70%；溫度進(jìn)一步提高，合金變形的活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，至480℃，合金已經(jīng)過燒，強(qiáng)度和塑性都顯著下降。此時(shí)合金的變形量下降到40%。

通過觀察不同變形量下不同部位顯微組織發(fā)現(xiàn)，變形溫度為390℃，變形量為70%，此時(shí)合金晶粒呈現(xiàn)明顯的纖維組織，當(dāng)溫度達(dá)到420℃，晶粒尺寸反而增大，可見該溫度已經(jīng)影響了合金綜合性能。綜上，合金最佳變形溫度應(yīng)該盡量靠近但低于420℃。

通過以上分析， 綜合考慮實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的波動(dòng)，該合金工程應(yīng)用最佳溫度建議為（400±10）℃，該溫度即可以獲得最大變形量， 保證良好的綜合性能，又可以避免晶粒長大及再結(jié)晶組織的出現(xiàn)，影響性能。

4 結(jié)論

（1） 試驗(yàn)采用壓縮變形試驗(yàn)法來測(cè)定新型高Zn含量的Al-Zn-Mg-Cu 合金的最佳變形溫度區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果表明：合金的極限變形量為70%，極限變形溫度為420℃。

（2）試驗(yàn)分析了合金在不同溫度不同變形量下組織變化情況， 工程應(yīng)用時(shí)， 該合金最佳變形溫度為（400±10）℃。