不同Zn/Mg對7A04鋁合金析出相的熱力學數值計算

馮艷飛，麻永林，楊 路，張 宇，吳 楠

(1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 營口115000)

7A04鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系合金中應用最廣泛的變形鋁合金，具有非常好的綜合機械性能，在交通、航天、軍工、民用材料領域顯得尤為重要[1，2]。7A04鋁合金作為一種優質合金，為了進一步擴大其應用范疇，還需要加大科學研究力度，盡快克服其凝固過程造成的組織和性能的缺陷[3]。而隨著計算機技術的不斷蓬勃發展，數值模擬技術得到了快速進步，在解決鋁合金冶金工程方面具有很大優勢，成為當今材料界非常熱門的研究方向之一[4，5]。有研究表明[6]，Zn/Mg對Al-Zn-Mg-Cu系合金相組成和力學性能的影響是非常重要的。為此，本研究以Al-Zn-Mg-Cu系的7A04鋁合金為基體，通過大量數值計算研究不同Zn/Mg對其合金凝固過程的影響，探索Zn/Mg對7A04鋁合金凝固相組成及析出溫度、熱力學參數、力學性能等的影響。

1 凝固計算及成分設計

本文通過成分設計，運用有限元數值計算分析不同Zn/Mg對7A04鋁合金凝固過程的影響。其化學成分見表1，Zn與Mg總含量固定為8.9%(質量分數)，Zn/Mg范圍設定為2.24～3.56。

表1 7A04鋁合金化學成分(質量分數，%)

通過JMatpro仿真數值模擬計算分析方法，在凝固過程中采用Scheil-Gulliver模型理論可以很好地解決眾多鋁合金不能試驗的凝固問題，但它仍然是一個近似值，在凝固過程中可能存部分反向擴散，忽略氣體影響。為了很好地控制凝固全過程，該模型推導基于以下假設：(1)固相中無擴散，DS=0；(2)液相均勻混合，液態金屬在任何時刻都能通過擴散、對流或強烈攪拌而使其成分完全均勻，DL=∞；(3)固-液界面處于局部平衡狀態；(4)固相線和液相線為直線。

形成固相中合金成分：

(1)

形成固相所占分數：

(2)

熱動力學計算原理：

(3)

2 計算結果及分析

2.1 熱力學平衡相

圖1為不同Zn/Mg理想狀態7A04鋁合金鑄錠各主要平衡相析出量與溫度的關系。可知，7A04鋁合金鑄錠理想狀態下的主要相組成為α-Al、η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)、Mg2Si、E(AlCrMgMn)、S(Al2CuMg)。其中，主要強化相為η相、T相和少量S相。添加不同Zn/Mg主要影響各析出相含量與析出溫度。表2為具體的7A04鋁合金主要析出相的開始析出溫度。

圖1 7A04鋁合金鑄錠各相析出量及析出溫度Fig.1 Precipitation amount of each phase and precipitation temperature of 7A04 aluminum alloy ingot

表2 7A04鋁合金主要析出相的開始析出溫度

2.2 主要相組成與析出溫度的關系

圖2為不同Zn/Mg的7A04鋁合金α-Al相析出與溫度的關系。由圖可知，相同析出溫度下，隨著Zn/Mg增加，α-Al相含量呈增加趨勢，并且析出起始溫度提前，終了析出溫度滯后。另外隨著凝固過程中溫度的降低，α-Al相含量先增加、后減少，存在析出量最高峰。并且在α-Al相中固溶了少量的其他合金元素，主要為Cr、Cu、Fe、Si且含量依次從大到小為Fe>Si>Cr>Cu。

圖2 α-Al相組成及析出溫度的關系Fig.2 Relationship between α-Al phase composition and precipitation temperature

圖3為不同Zn/Mg的7A04鋁合金MgZn2相析出與溫度的關系。由圖可知，當Zn/Mg分別為2.24和2.36時，隨著凝固過程溫度的降低，MgZn2相析出含量先增加后減小，析出量最高峰及溫度分別為8.89%、229.9℃和9.25%、194.7℃。當Zn/Mg由2.71增加至3.56時，隨著凝固過程溫度的降低，MgZn2相析出量逐漸增加，最后趨于平衡，出現析出量最高峰。

圖3 ZnMg2相組成及析出溫度的關系Fig.3 Relationship between ZnMg2 phase composition and precipitation temperature

圖4為不同Zn/Mg的7A04鋁合金Mg2Si相析出與溫度的關系。由圖可知，隨著凝固過程中溫度的降低，Mg2Si相析出先增加后趨于基本平衡穩定狀態，而當Zn/Mg為2.96和3.56時，變化差異略大；近似平衡狀態時，Mg2Si相析出量明顯較Zn/Mg為2.24、2.36和2.71偏低。并且隨著Zn/Mg遞增，Mg2Si相析出量近似平衡時的析出溫度越低。

圖4 Mg2Si相組成及析出溫度的關系Fig.4 Relationship between Mg2Si phase composition and precipitation temperature

圖5為不同Zn/Mg的7A04鋁合金S相析出與溫度的關系。由圖可知，隨著凝固過程中溫度的降低，S相析出量呈先增加，后降低，再增加的趨勢，在410℃～420℃出現析出量最大值。當溫度低于410℃時，隨著溫度的降低，不同Zn/Mg依次相析出含量由小到大順序為2.24<2.36<3.56<2.71<2.96。當溫度大于420℃時，隨著溫度的降低，相同溫度下，隨著Zn/Mg遞增，依次相析出含量遞減，但開始析出溫度滯后。

圖5 S相組成及析出溫度的關系Fig.5 Relationship between S phase composition and precipitation temperature

圖6為不同Zn/Mg的7A04鋁合金E相析出與溫度的關系。由圖可知，隨著凝固過程中溫度的降低，E相先增加后趨于平衡。且隨著Zn/Mg遞增，E相析出溫度滯后，并且在相同溫度下，E相析出含量隨著Zn/Mg遞增而減少。

圖6 E相組成及析出溫度的關系Fig.6 Relationship between E phase composition and precipitation temperature

圖7為不同Zn/Mg的7A04鋁合金T相析出與溫度的關系。由圖可知，當Zn/Mg比值低于2.36時，析出相里存在T(AlZnMgCu)相，當比值大于2.36時，析出相無T相生成。并且隨著凝固過程中溫度的降低，Zn/Mg越低，析出溫度范圍越大，當Zn/Mg分別為2.24和2.36時，T相析出起始溫度分別為229.6℃和194.9℃。

圖7 T相組成及析出溫度的關系Fig.7 Relationship between T phase composition and precipitation temperature

2.3 Zn/Mg與冷卻溫度、潛熱、力學的關系

圖8為不同Zn/Mg的7A04鋁合金凝固冷卻溫度關系曲線。可知，隨著Zn/Mg增加，凝固溫度發生了明顯變化。結合表3不難看出，固、液相溫度變化顯著，隨著Zn/Mg增大，液相線溫度降低，而固相線溫度升高。

圖8 不同Zn/Mg與凝固冷卻溫度的關系Fig.8 Relationship between different Zn/Mg and solidification cooling temperature

表3 不同Zn/Mg的7A04鋁合金液/固相線溫度關系

圖9為不同Zn/Mg的7A04鋁合金凝固潛熱的關系曲線。可知，在相同析出溫度下(低于630℃)，隨著Zn/Mg增加，凝固潛熱呈增大趨勢。當凝固溫度為580℃，Zn/Mg為2.24、2.36、2.71、2.96、3.56的凝固潛熱依次為281.75J/g、282.48J/g、285.64J/g、287.96J/g、295.31J/g。而當凝固溫度為655℃時，凝固潛熱依次為1.09J/g、1.05J/g、0.95J/g、0.89J/g、0.77J/g。

圖9 不同Zn/Mg與潛熱的關系Fig.9 Relationship between different Zn/Mg and latent heat

圖10為不同Zn/Mg的7A04鋁合金的抗拉強度、屈服強度及維氏硬度的關系曲線。可知，隨著Zn/Mg增大，抗拉強度、屈服強度及維氏硬度變化趨勢基本一致，呈先降低后升高，再降低趨勢。當Zn/Mg為2.24時，力學性能達到最高，抗拉強度、屈服強度和硬度依次為450.25MPa、330.33MPa 、148.03HV。當Zn/Mg為2.71時，力學性能最小，抗拉強度、屈服強度和硬度依次為307.22PMa、197.44PMa、99.36HV。

圖10 不同Zn/Mg與力學性能的關系Fig.10 Relationship between different Zn/Mg and mechanical properties

2.4 Zn/Mg與其他物理參數的關系

表4為不同Zn/Mg的7A04鋁合金其它物理參數數據。從表中可以看出，在室溫(25℃)條件下，隨著Zn/Mg遞增，7A04鋁合金的密度、楊氏模量、枝晶間距、剪切模量、導熱系數均呈增大趨勢；泊松比、體積彈性模量、平均膨脹系數均呈減小趨勢。

表4 不同Zn/Mg與其他物理參數的關系(25℃下)

3 結論

(1)在7A04鋁合金凝固過程中，隨著Zn/Mg遞增，液相線溫度降低，固相線溫度升高，除α-Al相，剩余主要MgZn2、Mg2Si、S、E和T析出相開始析出溫度均降低。

(2)在Zn/Mg為2.24～3.56，Zn/Mg為2.24時，力學性能最大，抗拉強度、屈服強度和維氏硬度依次為450.25PMa、330.33PMa、148.03HV。

(3)隨著Zn/Mg遞增，液相線溫度降低，固相線溫度升高。

(4)隨著Zn/Mg遞增，密度、楊氏模量、枝晶間距、剪切模量、導熱系數均呈增大趨勢；泊松比、體積彈性模量、平均膨脹系數均呈減小趨勢。