熱處理工藝參數(shù)對7055鋁合金組織和性能的影響

周洪剛，袁伍豐，舒 兵，熊明定，向臻東

(江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金(7000系列)，具有比強(qiáng)度高、加工性能好、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸及壓力容器領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。由于7055鋁合金元素高達(dá)10%以上，采用傳統(tǒng)鑄造方法煉制容易導(dǎo)致偏析等問題。為獲得較好的力學(xué)性能，7055鋁合金常采用噴射成形煉制[3]。噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝。它具有所獲材料晶粒細(xì)小、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析等各種快速凝固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，力學(xué)性能較鑄態(tài)材料相比有較大的提升。

相比傳統(tǒng)鑄造，噴射成形7055鋁合金(簡稱7055鋁合金)由于組織、性能均有較大改善，為更好發(fā)揮其組織、性能優(yōu)勢[4]，需針對此鋼種進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化，本文從固溶參數(shù)、時效參數(shù)、冷卻速度(水溫)等方面對噴射成形7055鋁合金進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，探討熱處理工藝參數(shù)對噴射成形7055鋁合金組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用噴射成形7055鋁合金的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)要求見表1，力學(xué)性能試樣(簡稱試棒)先粗加工成φ20×173規(guī)格，熱處理完后按圖1所示形狀和尺寸精加工成形。

圖1 力學(xué)性能試樣

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗(yàn)方法

固溶處理采用NCL2003-331鋁合金淬火爐，時效處理采用NCL2003-430鋁合金時效爐，均為工業(yè)爐，定期進(jìn)行爐溫均勻性檢測，爐溫符合GB/T 9452—2012Ⅱ類爐(≤±5 ℃)要求。力學(xué)性能檢測采用WE-60液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)。金相組織觀察采用奧林巴斯GX71金相顯微鏡。

本文共進(jìn)行5組固溶時效試驗(yàn)，分別研究固溶溫度、固溶時間、時效時間和冷卻速度(改變冷卻水溫)等參數(shù)對7055鋁合金力學(xué)性能的影響。由于本文僅對7055鋁合金力學(xué)性能進(jìn)行研究，時效溫度的改變會對鋁合金的力學(xué)性能和腐蝕性能同時造成影響，導(dǎo)致試驗(yàn)變量不可控，因此本文設(shè)定時效溫度為115 ℃。具體方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

由表2可知，方案共分5組，第Ⅰ組改變固溶溫度；第Ⅱ組改變固溶時間；第Ⅲ組改變時效時間，第Ⅳ組改變冷卻水溫度；第Ⅴ組為分級固溶方案。選取第Ⅱ組中的T6熱處理工藝(470 ℃×2 h固溶(≈40 ℃水冷)、115 ℃×24 h時效(空冷))為對照組。每組試驗(yàn)所用試棒批次相同，同組試驗(yàn)每種工藝均使用6根試棒。試棒熱處理后，進(jìn)行力學(xué)性能測試，測得抗拉強(qiáng)度(Rm)和延伸率(A)，取其平均值，制成曲線圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固溶溫度對力學(xué)性能的影響

固溶溫度對7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖2所示(不同溫度×2 h固溶，115 ℃×24 h時效，40 ℃水冷)。從圖2可知，在465～485 ℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度和延伸率均隨固溶溫度的升高而提升，在485 ℃左右時都達(dá)到峰值(抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa。延伸率為15.2%)，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提高溫度，抗拉強(qiáng)度和延伸率都開始下降。

圖2 固溶溫度對力學(xué)性能的影響

7055鋁合金是在7050鋁合金上增加Zn、Cu含量改良而來，同屬于Al-Zn-Mg-Cu合金，其起主要強(qiáng)化作用的元素為Zn和Mg。相比7050鋁合金，7055鋁合金除了η(MgZn2)和S(CuMgAl2)以外，T(Al2Mg3Zn3)會和η(MgZn2)共同存在于組織中，因此可參考7050鋁合金在不同溫度下平衡相的組成及其體積分?jǐn)?shù)變化曲線[5](見圖3)。Al-Zn-Mg-Cu系合金中η(MgZn2)最先固溶，S(CuMgAl2)最后固溶，而T(Al2Mg3Zn3)由于與η(MgZn2)共同存在，因此7055鋁合金平衡相的固溶順序?yàn)棣?MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)[6]。同時通過查閱文獻(xiàn)可知，η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)的共晶點(diǎn)分別為470、489和500 ℃[7]。

圖3 7050鋁合金在不同溫度下平衡相的組成及其體積分?jǐn)?shù)變化曲線

結(jié)合圖2和圖3可知，在455和465 ℃固溶時，由于η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)均沒有過燒(共晶)，隨著固溶溫度的升高，強(qiáng)化相溶解越充分；當(dāng)溫度超過470 ℃時，η(MgZn2)開始輕微過燒，但由于T(Al2Mg3Zn3)和S(CuMgAl2)溶解充分帶來的有益影響，其力學(xué)性能反而有所提升；當(dāng)溫度達(dá)到495 ℃時，由于η(MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3)均開始過燒，S(CuMgAl2)溶解充分帶來的有益影響已不能消除其他相過燒和組織長大帶來的有害影響，力學(xué)性能開始下降；當(dāng)溫度達(dá)到505 ℃時，主要強(qiáng)化相均已過燒，顯微組織已明顯長大。

7055鋁合金不同溫度下金相組織如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)溫度為465～485 ℃區(qū)間時，金相組織一致，晶粒較小且均勻；當(dāng)溫度為495 ℃時，晶粒出現(xiàn)明顯漲大和變形；當(dāng)溫度為505 ℃時，晶粒粗大。因此實(shí)際生產(chǎn)時，考慮到爐溫均勻性和成分偏析等情況，建議固溶溫度在465～485 ℃范圍為宜。

a) 465 ℃

b) 485 ℃

c) 495 ℃

d) 505 ℃圖4 7055鋁合金不同溫度下金相組織

2.2 固溶時間對力學(xué)性能的影響

固溶時間對7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖5所示(470 ℃×不同時間固溶，115 ℃×24 h時效，40 ℃水冷)。由圖5可知，在470 ℃保溫至2 h時，抗拉強(qiáng)度已接近最大值654 MPa，延伸率為13.5%。繼續(xù)延長保溫時間，抗拉強(qiáng)度和延伸率提升微乎其微，至6 h時，抗拉強(qiáng)度開始下降，延伸率無明顯變化。7055鋁合金固溶保溫的主要目的是使合金中第二相充分溶解到α基體中，理論上，固溶保溫時間越長，第二相溶解越充分，時效后獲得的強(qiáng)化效果更好。但當(dāng)保溫時間過長時，顯微組織會長大，性能反而有所下降。生產(chǎn)中，綜合考慮產(chǎn)品的壁厚和經(jīng)濟(jì)性，固溶時間選擇2～4 h比較合理。

圖5 固溶時間對力學(xué)性能的影響

2.3 時效時間對力學(xué)性能的影響

時效時間對7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖6所示(470 ℃×2 h固溶，115 ℃×不同時效時間，40 ℃水冷)。由圖6可知，當(dāng)時效時間為24 h時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值655 MPa，延伸率趨于穩(wěn)定15.4%。時效時間過短，明顯時效不足，產(chǎn)品性能未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；時效時間過長，一會導(dǎo)致能源浪費(fèi)，二可能導(dǎo)致過時效現(xiàn)象，引起性能不穩(wěn)定，因此建議時效時間為24 h。

圖6 時效時間對力學(xué)性能的影響

2.4 冷卻速度對力學(xué)性能的影響

冷卻速度對7055鋁合金力學(xué)性能的影響如圖7所示(470 ℃×2 h固溶，115 ℃×24 h時效，不同溫度水冷)。從圖7可知，抗拉強(qiáng)度隨水溫的升高而降低，最大為654 MPa，延伸率幾乎不受水溫的影響，接近14%。理論上，淬火冷卻速度越快，所獲得的過飽和固溶體的濃度越高，但內(nèi)應(yīng)力也大。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，在保證不會淬裂的前提下，應(yīng)保證水溫盡量處于常溫。

圖7 冷卻速度對力學(xué)性能的影響

2.5 分級固溶對力學(xué)性能的影響

分級固溶工藝特點(diǎn)是固溶過程分為二級：第一級在低于共晶溫度以下先保溫一段時間，先使部分強(qiáng)化相充分溶解，第二級溫度較高，在避免組織過燒的前提下，在較高的溫度下保溫較短時間，進(jìn)一步溶解其他強(qiáng)化相，提高溶質(zhì)原子固溶度。由于其縮短了固溶時間，降低了能耗，提高了固溶效率，常被用于鋁合金制造[8-14]。

7055鋁合金除η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(CuMgAl2)等3個主要強(qiáng)化相之外，還存在Al7Cu2Fe、Al23CuFe4、AlCuFeSi和ZrAl3等強(qiáng)化相。其經(jīng)過分級固溶后，力學(xué)性能如圖8所示。從圖8可知，465 ℃×2 h+495 ℃×0.5 h性能達(dá)到峰值，抗拉強(qiáng)度達(dá)到687 MPa，延伸率達(dá)到16%。實(shí)際生產(chǎn)時，若在特殊情況下需將產(chǎn)品性能提升至極限且設(shè)備具備自動控制功能，可采用分級固溶工藝。

圖8 分級固溶溫度對力學(xué)性能的影響

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)7055鋁合金強(qiáng)化相多且雜，其共晶溫度在470～500 ℃不等，若僅對T6熱處理工藝進(jìn)行固溶溫度優(yōu)化，固溶溫度選定在480 ℃左右可使力學(xué)性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa，延伸率為15.2%。

2)7055鋁合金固溶時間2 h能有效提升力學(xué)性能，但超過4 h則性能會重新下降，因此固溶時間在2～4 h范圍為宜，時效時間對力學(xué)性能影響較固溶時間小，強(qiáng)度峰值大致在時效時間24 h。冷卻速度對延伸率沒有影響，抗拉強(qiáng)度隨冷速降低而降低，因此在保證不會淬裂的前提下，應(yīng)保證水溫盡量處于常溫。

3)分級固溶工藝(465 ℃×2 h+495 ℃×0.5 h)可有效提高力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度相對原工藝提升687 MPa，延伸率達(dá)到16%，但對設(shè)備要求較高，在爐溫均勻性和設(shè)備自動化程度均較好的情況下推薦選用。