7075铝合金特性

後熱處理對摩擦攪拌7075鋁合金特性之影響

洪飛義1,* 呂傳盛2陳立輝2黃展鴻2

1成功大學奈米科技暨微系統工程研究所 / 微奈米中心

2成功大學材料科學及工程學系

The effects of post heat treatment in friction stir processed 7075 Al alloy

F.Y. Hung1,*, T. S. Lui2, L. H. Chen2 and T. H. Huang 2

1 Institute of Nanotechnology and Microsystems Engineering, Center for Micro/Nano Science and Technology, National Cheng Kung University, Tainan, TAIWAN 701.

2 Department of Materials Science and Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, TAIWAN 701.

Corresponding author, Email: 1 fyhung@.tw

本研究利用自然時效、復原處理及人工時效等熱處理針對摩擦攪拌製程(FSP)之7075鋁合金之攪拌區(stir zone, SZ)微觀組織及拉伸特性進行探討。實驗結果顯示，攪拌後析出物濃度分佈不均勻，而經重新固溶可改善此現象，並有助於提升拉伸性質。在經過自然時效後施加復原處理，有助於提升延性；若攪拌後直接施行120℃、220℃及320℃之人工時效，其拉伸強度會隨溫度的上升而下降，而延性在320℃時會有所提升，此與晶界上η相粗大化及晶界附近自由析出空乏區(Precipitation Free Zone, PFZ)的存在有密切關係。

關鍵字：熱處理、摩擦攪拌製程、7075鋁合金

This study using natural aging, reversion and artificial aging, discussed the variation of the microstructure and tensile properties on stir zone of FSP 7075 Al alloy. The results showed the distribution of the precipitates concentration after FSP was not uniform. This effect had improved and raised the tensile properties through a solid solution treatment before natural aging. After natural aging then performing reversion, the ductility of SZ had increased. The SZs had an artificial aged at 120℃, 220℃ and 320℃, the tensile resistance had decreased and the ductility had a tendency to increase as increasing the temperature. The reason had a closed relation between the η phases of grain boundary and the PFZ forming near grain boundary.

Keywords: heat treatment, FSP, 7075 Al alloy

1. 前言

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding , FSW）為一種固態接合技術[1]。此技術在過程中溫度並未達到熔點溫度[2]，適合使用在鋁合金的焊接上。而摩擦攪拌製程（Friction Stir Processing，FSP）是利用攪拌過程中所產生的剪應變與摩擦熱，使材料在固態攪拌過程中產生動態再結晶現象，而達到均勻且細化晶粒的效果[3]。

在7000 系鋁合金研究上，經FSW/FSP後的攪拌材強度雖不及母材，但機械性質仍明顯優於傳統熔融銲接。然而，在摩擦攪拌後會有時效現象，在應用上及加工方面會有顯著的影響。因此施加有效之後熱處理是值得探討的課題。鑑於在攪拌後熱處理效應的研究仍相當缺乏，故本研究針對7075鋁合金進行FSP後熱處理，包含自然時效、回復處理及人工時效，以探討其對SZ組織及機械性質之影響。

2. 實驗方法

本實驗以7075壓延鋁材(7075-R) 經固溶處理及人工時效(T6)而得到的7075時效材(7075-T6)作為母材，其化學組成如表1；攪拌後定義出攪拌面、橫截面和縱面三個方向，依序表示為ND、PD、TD，摩擦攪拌示意圖如圖1，本研究使用的摩擦攪拌參數為轉速1677rpm，進给速率0.58 mm/s，傾斜角1.5°，下壓力3.8MPa。

FSP後進行不同的熱處理：自然時效、回復處理及人工時效，各種不同熱處理的程序及代號列於表2。在組織特性觀察方面，利用電子微探儀(EPMA) 觀察元素分佈狀況；以穿透式電子顯微鏡(TEM)分析不同熱處理條件析出物形態的變化。拉伸性質方面，應變數率均為1.67×10-3sec-1，在室溫下進行拉伸測試。

3. 結果與討論

3.1 FSP後固溶處理對自然時效之影響

自然時效後的拉伸結果如圖2所示。根據前人研究所示[2]，攪拌過程中有部分固溶的效果，在經過自然時效後，由於固溶相再次析出，導致降伏強度上升而延伸率下降，然而在重新固溶及經過自然時效後，在降伏強度上升的同時延伸率則有所提升，而且均比前者有更好的拉伸性質。因此，析出物的分佈狀態為影響SZ拉伸強度及延性的重要因素之一。攪拌後距離表面1mm的ND面元素分佈如圖3所示，析出物的濃度分佈有不均勻現象；而經過固溶處理後的元素分佈如圖4所示，析出物的濃度分佈較固溶處理前均勻，所以在經過重新固溶後，有改善析出物濃度不均勻的效用。

在攪拌及自然時效後，析出物的分佈濃度並不均勻，會對於在拉伸時均勻變形的能力造成影響。由於高低濃度之間為應力集中處，破斷裂縫會優先沿著兩區之間的方向，即洋