固溶處理對Al-Zn-Cu-Mg-Zr-Ce合金組織性能的影響

郭豐佳, 麻 芳, 肖富來, 遲 蕊,, 王經濤, 孫 寧

(1. 山東南山鋁業股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心, 山東 煙臺 265700; 2. 煙臺南山學院 化學工程與技術學院, 山東 煙臺 265713)

Al-Zn-Mg-Cu合金屬于7系高強高韌鋁合金,因其密度低、比強度高、較高的硬度、良好的加工性能、較好的耐蝕性被廣泛應用于航空航天及高速列車等交通運輸領域[1-4]。從20世紀60年代開始,我國開展了7系高強鋁合金的研究工作,圍繞著已有的國際鋁合金牌號,開發了相近的鋁合金,但是對于一些超高強鋁合金,如7085、7136、7195等合金,其微合金成分、加工工藝及熱處理狀態處于保密階段或者受到專利保護,因此針對高強7系鋁合金,科研工作者需要對微合金成分及其熱處理工藝加大研究力度,繼續優化探索合金成分配比和熱處理工藝。近年來,房洪杰等[5]研究了添加微量稀土Ce對7136鋁合金組織性能的影響,發現稀土Ce能夠細化晶粒,T6狀態下,能夠提高鋁合金塑性;孫杰等[6]研究了微量稀土Ce對7085鋁合金組織性能的影響,曲世永等[7]研究了8.0%Zn含量的7系鋁合金均勻化和固溶處理工藝。在前人研究的基礎上,本研究配備了一種7系鋁合金,成分特點是高鋅、低鎂、低銅和微量合金化元素Zr、Ce,對其開展固溶處理工藝研究,以期為后續熱處理工藝研究積累經驗。

1 試驗材料與方法

按照表1名義成分配備試驗原材料,試驗原材料為純鋁(99.85%)、純鋅(99.9%)、純鎂(99.9%)、鋁銅合金(20%)、鋁鋯合金(10%)、鋁鈰合金(10%)、六氯乙烷(分析純)、氯化鈉(分析純)、氯化鉀(分析純)、氟氯酸鈉(分析純)。在井式坩堝爐(SG2-5-10)中進行熔煉,熔煉時將純鋁和中間合金放入石墨坩堝,撒入少量覆蓋劑(氯化鈉、氯化鉀、氟氯酸鈉,按2∶2∶1配比),將溫度升溫至780 ℃,保溫15 min,待試驗原材料熔化完畢后,攪拌、除氣、扒渣,撒入覆蓋劑靜止,待溫度降至730 ℃時,加入純鋅和純鎂,考慮到純鎂密度低、易燃燒的特點,用鐘罩將純鎂壓入液體底部,待純鎂全部熔化后,攪拌、除氣、扒渣、靜止,待溫度降至720 ℃時,開始澆注,在模具中鑄成尺寸為200 mm×120 mm×20 mm的鋁合金扁錠。

表1 試驗合金名義化學成分(質量分數,%)Table 1 Nominal chemical composition of the tested alloy (mass fraction, %)

將鑄態鋁合金扁錠在箱式電阻爐(SX2-12-10)中完成均勻化退火,根據文獻[8],退火工藝為460 ℃×10 h+475 ℃×24 h。將均勻化后的鋁合金扁錠去頭銑六面,用熱軋機(φ200 mm×350 mm)制備成4 mm厚的鋁合金板材,開軋溫度為440 ℃,每次壓下量為1～2 mm,中間退火1次,總變形量為80%。將熱軋板材經440 ℃×3 h再結晶退火,空冷后,用冷軋機(φ175 mm×300 mm)制備成2 mm厚的板材,變形量為50%。

利用差示掃描量熱儀(DSC1)測量試驗合金板材的DSC曲線,用以確定其固溶溫度。對鋁合金冷軋板進行固溶時效處理,時效溫度為120 ℃,時效保溫時間根據470 ℃固溶時效處理后的硬度測試確定,利用布洛維硬度計(HBRV-187.5)測量硬度,施加載荷砝碼10 kg,保壓時間5 s。單級固溶溫度取460、470、480 ℃,保溫時間分別為30、60、120 min。將經固溶時效處理后的鋁合金板材加工成標準試樣,利用電子萬能試驗機(WDW-T100)測試其力學性能,確定單級固溶處理的最佳溫度和保溫時間。根據單級固溶處理最佳工藝參數,制訂雙級固溶工藝,并測試力學性能。利用金相顯微鏡(Axio Imager M2m)、掃描電鏡(Nova-NanoSEM450)觀察經固溶時效處理后合金的顯微組織和拉伸斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 DSC曲線測定

圖1為試驗合金冷軋板的DSC曲線,當溫度在474.48 ℃時出現一個吸熱峰,證明該溫度時有少部分第二相吸收熱量并熔化,如果高于該溫度進行熱處理,容易出現熱裂紋,造成合金強度和塑性下降,因此后續熱處理工藝不應該超過該溫度,否則造成過燒。

圖1 試驗合金冷軋板的DSC曲線Fig.1 DSC curve of the tested alloy cold rolled sheet

2.2 合金時效時間的確定

采用T6熱處理工藝,取固溶工藝為470 ℃×1 h,時效溫度為120 ℃,為確定時效保溫時間,取18個小試樣,試樣尺寸為15 mm×15 mm,將固溶處理后的試樣放入干燥箱里保溫,保溫時間分別為2～36 h,每2 h間隔,測量時效處理試樣的維氏硬度,結果如圖2所示。可見隨時效時間的延長,合金的硬度先快速上升,后逐步緩慢上升,當保溫時間為24 h時,硬度達到最大值,為206.13 HV10,24 h后硬度緩慢下降,32 h后,下降速度加快。結合文獻[8],確定時效工藝為120 ℃×24 h。

圖2 試驗合金的時效硬化曲線Fig.2 Age hardening curve of the tested alloy

2.3 單級固溶處理工藝

將2 mm厚的冷軋板材用剪板機制成100 mm×16 mm的試樣若干,在鹽浴爐中進行固溶處理,水冷。試樣從爐中轉移到水中的時間不超過10 s,固溶處理后在干燥箱中完成時效處理,本試驗工作主要研究單級固溶處理工藝,根據DSC曲線測試結果,選取固溶溫度分別為460、470、480 ℃,分別保溫30、60、120 min,每組取3個試樣,測定其平均值。

試驗合金固溶處理+時效后的力學性能如表2所示,當固溶溫度為460 ℃,隨著保溫時間的延長,合金抗拉強度和屈服強度均逐漸提高,伸長率呈下降趨勢,其中,保溫時間為120 min時,合金的力學性能最好。當固溶溫度為470 ℃,隨著保溫時間延長,屈服強度和抗拉強度逐步升高,伸長率基本變化不大,其中,保溫時間為120 min時,合金的綜合性能最好。當固溶溫度為480 ℃,保溫時間為30 min時,合金的屈服強度僅為264 MPa,抗拉強度僅為357 MPa,伸長率為1.48%,而保溫時間為60 min和120 min時,夾持未拉伸即斷,表明在該固溶溫度下出現了過燒,造成脆斷。對比發現,固溶溫度為470 ℃時,合金綜合性能最好,固溶溫度為460 ℃時次之,固溶溫度為480 ℃不能采用,試驗合金的最佳單級固溶處理工藝為470 ℃×2 h。

表2 單級固溶處理+時效后試驗合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of the tested steel after single solution treatment+aging

2.4 雙級固溶處理+時效后力學性能測定

眾所周知,溫度越高,固溶度越高,固溶效果越好。因此,本試驗在單級固溶處理基礎上,研究雙級固溶處理制度,盡可能提高固溶溫度,提高固溶度,實現更好的固溶效果,提高合金力學性能,結合已經確定的單級固溶處理工藝和DSC曲線圖,根據文獻[9],制訂雙級固溶處理工藝為450 ℃×1 h+475 ℃×1 h,與單級固溶處理工藝作對比。

雙級固溶處理后的鋁合金板材經120 ℃×24 h人工時效后,加工成標準試樣,在電子萬能試驗機上測試其力學性能,經測定,屈服強度、抗拉強度、伸長率分別為565 MPa、594 MPa、12.95%。

2.5 固溶處理后的組織比較

圖3為不同固溶工藝下試驗合金的顯微組織,可以看出,460 ℃×2 h固溶處理時,合金板材大部分發生明顯再結晶,仍有部分晶粒呈拉長狀態,但第二相含量較多,未能充分溶入基體中,固溶度不夠;470 ℃×2 h固溶處理時,第二相大部分溶解到基體中,但合金板材基本完全再結晶,以等軸晶粒為主;480 ℃×0.5 h固溶處理時,合金已經出現明顯過燒現象,證明480 ℃溫度固溶不可取;當采取450 ℃×1 h+475 ℃×1 h的雙級固溶處理工藝時,合金只有個別位置出現少量再結晶,且第二相大部分溶解到基體中,只有少量殘余第二相分布在晶粒之間。

圖3 不同固溶工藝下試驗合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested alloy at different solution treatment processes(a) 460 ℃×2 h; (b) 470 ℃×2 h; (c) 450 ℃×1 h+475 ℃×1 h; (d) 480 ℃×0.5 h

2.6 合金斷口形貌分析

圖4為不同固溶處理+時效后,試驗合金的拉伸斷口形貌。460 ℃×2 h固溶時效后,斷口形貌分布大量韌窩,合金韌性較好,斷裂方式主要以穿晶斷裂為主,只有極個別位置有沿晶斷裂特征,有可能此處位置有粗大第二相,裂紋沿第二相和基體的晶界斷裂;470 ℃×2 h固溶時效后,斷口形貌分布大量韌窩,韌窩變得更深,基本沒有發現沿晶斷裂的特征,可判斷合金韌性較好;480 ℃×0.5 h固溶時效后,斷口形貌明顯脆斷,沿晶斷裂特征明顯,有較大裂紋出現,說明溫度過高,晶界處出現過燒,造成脆斷裂紋,從斷口形貌分析該狀態下韌性差,力學性能差;經450 ℃×1 h+475 ℃×1 h雙級固溶時效后,斷口形貌出現大量韌窩,從斷口看,晶粒比較細小,韌窩較深,主要是穿晶斷裂,未發現沿晶斷裂特征。

2.7 分析與討論

固溶處理的目的是將第二相固溶到基體中,溫度越高,合金固溶度越高,在后續的時效過程中析出的強化相越多,合金的力學性能越好。而第二相溶解到基體中主要是通過擴散完成的,影響擴散的主要因素是溫度,溫度越高固溶程度越高,因此在固溶處理中盡可能提高固溶溫度,但隨著固溶溫度升高,保溫時間延長,合金會發生再結晶甚至晶粒長大現象,會使合金力學性能降低,因此需制訂合理的固溶溫度及保溫時間。

雙級固溶制度的主要的目的是在低溫階段讓非平衡共晶低熔點相先通過擴散溶解到Al基體中,使合金的固相線提高,到第二級固溶溫度時,雖然超過了低熔點相的最低溫度,仍不能引起過燒,可確保合金獲得更好的固溶效果,基本消除粗大第二相,提高合金的綜合力學性能。另外,合金板材中因為發生塑性變形儲存大量形變能,這些形變能在一定的溫度下會成為合金再結晶的驅動力,在低溫時,會使儲存的形變能得到釋放,通過產生回復現象消耗掉部分形變能,使產生再結晶的驅動力減少,降低了合金再結晶比例。根據晶界遷移理論[10],晶界的遷移速率V可表示為:

V=FM

(1)

F=PD-PZ-PSOL

(2)

(3)

式中:F為驅動力;PD為儲存的形變能;PZ為粒子阻礙作用消耗的能量;PSOL為溶質原子阻礙作用消耗的能量;M為晶界遷移率;M0為常數;Q為激活能;R為氣體常數;T為絕對溫度。從公式(1～3)可看出,當儲存的形變能減少,再結晶驅動力就會減少,晶界遷移速率就會降低,再結晶晶粒就不能充分長大,再結晶程度低[9]。由圖3可看出,雙級固溶處理雖然第二級溫度為475 ℃,但是其再結晶程度低于470 ℃的單級固溶處理。

3 結論

1) 單級固溶處理工藝為470 ℃×2 h時,雖然合金出現了再結晶,但第二相大部分溶解到基體中,提升了固溶度,時效后抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為569 MPa、521 MPa、12.85%。與其它單級固溶處理工藝相比,該工藝下,合金的綜合力學性能最佳,固溶效果最好。

2) 經450 ℃×1 h+475℃×1 h雙級固溶處理時,合金基本沒有出現再結晶現象,同時第二相大部分溶解到基體中,固溶度高,經時效處理后抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為594 MPa、565 MPa、12.95%。與單級固溶處理工藝相比,雙級固溶處理后的綜合力學性能更優。