喷射成形7055铝合金锻件的高温力学性能

喷射成形7055铝合金锻件的高温力学性能
商海东;周小军;王飞;杨欧阳;蒋云泽;张捷;张豪
【摘要】对喷射成形7055铝合金挤压棒材进行自由锻造及T74热处理(450℃/3 h+475℃/3h固溶,120℃/8h+160℃/24 h时效),然后分别在室温下、以及加热到100,125,150,175和200℃下保温30 min后进行拉伸试验,待试样冷却到室温后,测定其电导率,观察其金相组织与拉伸断口形貌,研究7055铝合金锻件的室温与高温力学性能以及温度对合金组织的影响.结果表明,热处理后的7055铝合金锻件组织均匀、晶粒细小,并且具有较好的高温稳定性.合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为632MPa和607MPa,伸长率为14.5％.随温度从100℃升高到150℃,合金电导率基本不变,合金的强度小幅下降;当加热温度从150℃升高到200℃时,电导率显著降低,强度大幅下降.合金的伸长率随温度升高而提高.在200℃下合金的抗拉强度和屈服强度分别为349MPa和335MPa,伸长率为20％.在100～200℃温度范围内表现出塑韧性断裂特征.
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2017(022)005
【总页数】7页(P636-642)
【关键词】喷射成形;7055铝合金;锻件;高温力学性能;电导率;拉伸断口;韧窝组织【作者】商海东;周小军;王飞;杨欧阳;蒋云泽;张捷;张豪
【作者单位】贵州新安航空机械有限责任公司,安顺561000;江苏豪然喷射成形合金有限公司,镇江212009;贵州新安航空机械有限责任公司,安顺561000;贵州新安航空机械有限责任公司,安顺561000;江苏豪然喷射成形合金有限公司,镇江
212009;江苏豪然喷射成形合金有限公司,镇江212009;江苏豪然喷射成形合金有限公司,镇江212009
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2
7055合金属于Al-Zn-Mg-Cu(7000)系变形铝合金，是目前已成熟应用的强度最高、综合性能最好的超高强度铝合金，俗称“王牌铝合金”。

美国在1991年2月登记注册了7055铝合金，Alcoa公司生产的7055-T77合金板材集高强、高韧、抗蚀于一体[1]。

该合金主要应用于大中型客机及战斗机的机翼壁板、机翼长桁、座椅滑轨、地板梁等关键承力结构[2−3]。

目前生产7055铝合金的方法主要是半连续铸造，先铸造成锭坯，再将铸锭进行塑性加工成型。

但由于7055的合金元素含量较高，导致铸坯中存在宏观偏析严重、未溶共晶相粗大以及发达的枝晶组织和枝晶偏析等问题，这些问题限制了铸锭的三维规格，降低了其塑性加工性能和力学性能[4]。

喷射成形技术具有快速凝固的特点，采用该技术制备的7055合金成分均匀、无宏观偏析、组织细小，且第二相细小，因而合金强度高，综合性能优异，并且可生产三维大规格尺寸锭坯[5]。

喷射成形7055铝合金已用于飞机机轮[6]，飞机刹车制动过程中铝合金轮毂的瞬时高温达到150~200 ℃[7]；在用于舰船甲板、热带沙漠等环境时极端高温达到70~100 ℃。

因此需要尽快掌握喷射成形7055铝合金锻件在上述高温工况下的力学性能以指导应用。

经过文献检索，目前没有7055铝合金锻件高温力学性能研究的报道，本文作者针对T74热处理后的喷射成形7055铝合金锻件，研究其室温与100~200 ℃高温下的拉伸性能，并通过电导率测试、金相组织与断口形貌的观察与分析，研究该合金的高温力学性能变化机理，以期为喷射成形7055铝合金在较高温度(100~200 ℃)下的应用提供设计参考。

直径为485 mm的喷射成形7055铝合金圆锭由江苏豪然喷射成形合金有限公司生产，主要化学成分为Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu，详细成分见《GB/T3190—2008变形铝及铝合金化学成分》。

热处理炉为丹阳宏皓工业炉有限公司生产的DL09−1208型淬火炉和DL09− 1198型实效炉。

将喷射成形7055铝合金圆锭，在西南铝8000吨卧式挤压机上挤压成直径为110 mm的棒材，然后采用自由锻造方式，将挤压棒材单道次锻压成长方体锻件，锻造设备为天津第二锻压机床厂生产的3000吨四柱油压机，锻造温度为
440±10 ℃；之后对锻件进行T74热处理，详细制度为双级固溶(450 ℃/3
h+475 ℃/3 h)加双级时效(120 ℃/8 h+160 ℃/24 h)；热处理结束后统一沿长度方向(纵向)切取试样，根据《GBT4338金属材料高温拉伸试验方法》加工成标准试棒，在进口德国DOLI公司的DDL100电子万能试验机上测试其在100，125，150，175和200 ℃温度下的拉伸性能，将试样加热到规定温度后保温30 min，然后进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min；同时将未加热的试样在25 ℃温度下进行拉伸试验，测定其室温拉伸性能。

拉伸试验结束后，待试样冷却至室温，采用厦门鑫博特科技有限公司生产的D60K数字金属电导率测试仪测定其电导率，测试方法执行《GB/T12966—91 铝合金电导率涡流测试方法》。

之后采用德国蔡司JEM-2100F场发射扫描电镜观察拉伸断口形貌；从拉伸后的试样上切割制取金相试样，在由95 mL H2O＋1 mL HF＋1.5 mL HCl＋2.5 mL HNO3的混合液中浸蚀8~15 s，然后在蔡司Observer. Z1m金相显微镜上观察金相组织。

图1所示为热处理后的7055锻件在100，125，150，175和200 ℃以及25 ℃下进行拉伸试验的拉伸性能。

由图1(a)可看出，合金在25 ℃下的抗拉强度和屈服强度分别为632 MPa和607 MPa，在100~200 ℃温度范围内合金的抗拉强度随温度升高而下降，在100~150 ℃区间内强度下降的幅度较小，而当温度高于150 ℃时加速下降。

在200 ℃下7055合金的抗拉强度和屈服强度分别为349
MPa和335 MPa，相比航空机轮常用的LD10铝合金抗拉强度(294 MPa)和屈服强度(226 MPa)分别提高18.7%和48.2%[8]。

由图1(b)看出，随温度升高，合金的断后伸长率和断面收缩率都升高。

伸长率从室温的14.5%升高到200 ℃的20%，断面收缩率从室温的40%升高到200 ℃的69%，而且在125 ℃以后断面收缩率
升高加速。

图2所示为拉断试棒的宏观照片，图中是将拉断试棒断口相对拼接在一起拍摄。

由图可见随温度升高，试棒断口处颈缩越来越严重，与断面收缩率数值变化对应。

电导率作为非破坏式的方法可检测铝合金的热处理工艺执行情况，也可用来反映铝合金的力学性能及抗腐蚀性能等，是国内外铝合金工业广泛应用的检测方法
[9−10]。

对于化学成分确定的时效强化铝合金，合金的微观组织与电导率、硬度、抗蚀性能等具有一定的对应关系[11]。

随时效过程的进行(温度升高或时间延长)，
淬火得到的过饱和固溶体逐步析出溶质原子(形成G.P.区、过渡相和稳定相等强化相)，使合金的晶格畸变程度降低，内应力减小，从而使电子运动变得容易，合金
的强度和电导率均增大。

时效温度越高或时效时间越长，强化相析出越充分，合金的电导率越高(但强度则不一定，时效到一定程度后，合金的强度呈下降趋势。

也
就是说时效初期合金的强度和电导率变化趋势相似，时效后期二者的变化趋势相反)[11]。

反过来说，对于同一种时效处理的铝合金，在其它条件相同的情况下，
电导率越高，表明其强化相的析出程度越高。

图3所示为不同温度下拉伸试验后试样冷却至室温时的电导率。

由图看出，拉伸
试验温度不超过150 ℃时，随试验温度升高，电导率基本不变，在38.5~
38.7%IACS之间。

当拉伸温度≥175 ℃后，随温度升高，电导率加速上升，175 ℃时为39.1%IACS，至200 ℃时上升到42.6%IACS。

由此判断经过热处理的喷射
成形7055铝合金锻件在150 ℃以下保温30 min，其微观组织基本没有变化。

当高于175 ℃温度下保温30 min，微观组织发生较明显的变化。

研究表明，Al-Zn-
Mg-Cu系合金时效过程中沉淀相析出顺序为：α(过饱和固溶体)→GP区
→η′(MgZn1.3~1.5)→η相(Mg- Zn2)。

GP区是Mg、Zn原子在Al基体某一晶
面偏聚而形成的球状原子偏聚区，与基体保持完全共格。

η′相MgZn1.3~1.5为过渡相，在Al基体中形成圆盘状，具有六方结构，与基体保持完全半共格，而η相MgZn2是平衡相，六方结构，晶格常数与基体非共格[12]。

在高于175 ℃温度下保温时，GP区和η′相逐步转化为稳定的η相，析出相与基体的位向关系由共格和部分共格转变为非共格，使基体晶格畸变程度减小，内应力降低，从而使电子运动变得容易，电导率提高。

图4所示为7055铝合金在不同温度下拉伸试验后的金相组织，其中图4(a)是室温下拉伸后的金相组织。

由图看出，所有拉伸试样组织均匀，合金已发生完全再结晶，晶粒细小，平均晶粒尺寸＜50 μm，α-Al基体及晶界上有均匀分布的析出相质点，同时残存很少量未固溶的S相(CuMgAl2)及难溶相。

说明喷射成形7055铝合金
化学成分均匀，结晶相细小且弥散分布，经过挤压、锻造和固溶处理后绝大部分已充分溶解，在后续时效过程中析出相均匀析出在晶界和晶粒内部。

从图4还看出，随温度升高，金相组织没有明显变化。

结合电导率测试结果，说明喷射成形7055铝合金在150 ℃以下的温度下保温30 min，微观组织基本稳定。

在175 ℃和
200 ℃下保温30 min，晶粒尺寸无变化，析出相也未发生显著合并长大。

图3显示拉伸试验温度高于175 ℃时，拉伸后试样的室温电导率随拉伸温度升高而加速
上升，是由于GP区和η′相逐步转变为稳定的η相，强化效果减弱，基体晶格畸
变程度减小，内应力降低所致，在光学显微镜下无法观察到这一变化特征，待进一步研究。

图5和图6所示分别为合金拉伸断口的低倍与高倍SEM形貌。

由图看出25 ℃下
的拉伸断口粗糙，存在显著的“韧带”组织特征，在高倍下观察发现韧带中两薄层晶粒之间晶界区域存在大的孔洞，晶粒均存在微剪切唇，表明这些晶粒发生穿晶剪
切断裂。

此外在低倍下还可看到断口存在少量小尺寸韧窝。

上述断口形貌特征属于典型塑性断裂特征，说明喷射成形7055-T74在室温下具有良好的塑韧性。

100 ℃下的拉伸断口与25 ℃的拉伸断口相似，仍看到“韧带”组织，由高倍形貌可看到晶粒内部存在高密度、小尺寸的韧窝。

当温度升高到125 ℃时，“韧带”组织变
得稀少，从高倍形貌看出较明显的“韧窝”形貌。

这是因为随变形温度升高，基体合金的强度下降，基体相与沉淀相的强度差异增加。

此时，在外应力作用下，大尺寸沉淀相/基体界面处成为裂纹优先萌生的位置，韧窝由此产生、积聚、连接成为
裂纹，最终导致断裂[13]。

温度进一步升高至150 ℃时，断口中“韧带”特征基
本消失，微孔集聚型断裂行为变得显著，“韧窝”数量明显增加。

175 ℃下的断
口“韧窝”断裂特征进一步增强，韧窝数量、尺寸、深度均增加，韧窝的侧壁变得很薄，韧窝边界存在非常显著的滑移特征，这表明在该温度下基体的强度显著降低而塑性大幅度提高，韧窝一旦形成，则通过韧窝边界基体合金的滑移变形不断汇聚、长大，直至样品中形成宏观裂纹直至断裂。

200 ℃下的断口形貌与175 ℃非常相似，放大倍数下发现韧窝尺寸进一步加大，韧窝侧壁变薄，表明断裂前塑性变形量进一步增大。

由以上分析可知，喷射成形7055-T74铝合金在不同温度下的变形、断裂特征明
显不同。

随温度升高，合金中的热激活作用不断增强、基体软化，晶界/晶内强度
差异逐渐缩小[14]，且沉淀相钉扎位错的能力减弱，基体强度显著降低、塑性升高，裂纹在各处沉淀相界面同时萌生并逐渐扩展，形成断口各处的韧窝。

此时在剪切断裂区内剪切断裂特征弱化而韧窝特征逐渐增强。

随温度进一步升高，基体塑性很好，裂纹萌生阶段持续时间较长，韧窝尺寸大、深度较深，由大尺寸沉淀相剥落形成的孔洞显著增多。

1) 随拉伸测试温度升高，喷射成形7055铝合金锻件的强度逐渐下降，伸长率和
断面收缩率提高。

随温度从25 ℃升高到200 ℃，抗拉强度和屈服强度从632
MPa和607 MPa分别下降到349 MPa和335 MPa，伸长率从14.5%升高到20%，断面收缩率从40%升高到69%。

2) 拉伸测试温度≤150 ℃时，随测试温度升高，经过高温测试后的试样室温电导
率保持稳定，在38.5~38.7%IACS之间。

当测试温度≥175 ℃后，随温度升高，
测试后试样室温下电导率加速上升，175 ℃时为39.1%IACS，至200 ℃时为
42.6%IACS。

3) 喷射成形7055铝合金锻件组织均匀，平均晶粒尺寸＜50 μm，在温度≤150 ℃下保温30 min组织稳定，在175 ℃和200 ℃保温30 min晶粒尺寸无长大现象，析出相也未发生强烈合并长大。

4) 喷射成形7055-T74铝合金锻件在室温下表现出良好的塑韧性断裂特征。

断口
形貌由＜150 ℃下的“韧带”+“韧窝”断裂特征逐步转变为≥150 ℃下的全“韧窝”断裂特征。

温度升高，“韧窝”数量、尺寸、深度均增加，韧窝侧壁变薄。

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