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-