張新明，歐軍，劉勝膽，徐敏，游江海

雙級時效對1933鋁合金鍛件組織和性能的影響

張新明1,2，歐軍1,2，劉勝膽1,2，徐敏1,2，游江海1,2

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

采用電導率測試、常溫力學性能測試、慢應變速率拉伸、透射電鏡和正交試驗等手段，研究雙級時效對1933鋁合金鍛件力學性能、抗應力腐蝕性能及微觀組織的影響。研究結果表明：與T6態(tài)相比，通過合適的雙級時效制度(110 ℃/6 h+160 ℃/8 h或120 ℃/12 h+160 ℃/6 h)，鍛件的抗拉強度和屈服強度分別下降3.8%和1.0%，電導率卻提高了19.5%，抗應力腐蝕性能顯著提高。雙級時效中第2級時效溫度是控制鍛件性能的關鍵因素，通過合理的雙級時效制度，機體中的沉淀相細小彌散，晶界上的η相粗大且不連續(xù)，使得鍛件具有良好的綜合性能。

1933鋁合金鍛件；時效；力學性能；抗應力腐蝕性能；微觀組織

7×××系鋁合金具有高的比強度，廣泛應用于航空領域[1]。但其抗應力腐蝕性能(SCC，Stress corrosion cracking)較低[2?3]。采用不同時效工藝調控晶內及晶界析出相，可提高合金的綜合性能。若通過回歸再時效(RRA，Retrogression and reaging)處理[4]，則合金在保持較高強度的同時，還具有較好的抗應力腐蝕性能。但 RRA處理的回歸溫度區(qū)間窄，時間短，難以適應工廠厚件的生產。在實際應用中，時效熱處理往往采用雙級時效制度(T7X)，如大型鋁合金鍛件的時效熱處理制度以T73和T76最為典型[5]。7×××系鋁合金是析出強化型的鋁合金，一般認為其析出序列為[6?9]：過飽和固溶體—GP區(qū)—亞穩(wěn)相η′—平衡相η(MgZn2)，其中亞穩(wěn)相η′起主要強化作用。在沉淀析出相的早期階段，GP區(qū)和亞穩(wěn)相η′形成。在析出后期，主要發(fā)生亞穩(wěn)相向平衡相轉變以及平衡相的粗化。準確控制時效過程中沉淀相的析出，特別是沉淀相的尺寸、分布、體積分數(shù)、晶界的析出相形貌和無沉淀析出帶等對獲得優(yōu)良的力學性能及抗應力腐蝕性能具有重要意義[10]。1933鋁合金是一種高強Al-Zn-Mg-Cu合金，具有很高的強度、斷裂韌性和抗應力腐蝕性能，尤其具有很好的淬透性，在航空領域應用廣泛，俄羅斯大部分飛機的接頭件及隔框都采用 1933大型鍛件[11?12]。為達到合金高強度與抗應力腐蝕的最佳匹配，時效處理工藝是關鍵的因素。本文作者通過正交實驗法[13]研究時效工藝對 1933鋁合金大型鍛件力學性能微觀組織的影響，并通過慢應變速率拉伸來評價抗應力腐蝕性能。同時，針對合金 T6態(tài)強度高而抗應力腐蝕性能差和T73態(tài)抗應力腐蝕性能好但強度低的問題，研究出一種使合金強度與抗應力腐蝕性能匹配的雙級時效工藝，為實際生產優(yōu)化時效工藝參數(shù)提供參考。

1 實驗及材料

實驗材料為1933鋁合金鍛件，其名義成分(質量分數(shù))如表1所示。

表1 1933鋁合金鍛件的名義成分Table 1 Nominal compositions of 1933 aluminum alloy forging %

首先對1933鋁合金鍛件于470 ℃/100 min進行固溶處理和室溫水淬，然后進行后續(xù)時效熱處理。采用正交實驗法對雙級時效熱處理的 4個工藝因素(一級時效時間T1與溫度t1，二級時效時間T2與溫度t2)進行實驗方案設計，L9(34)正交實驗方案如表2所示。同時將2組樣品分別進行 T6單級時效(120 ℃/24 h)和T73雙級時效 (110 ℃/12 h+180 ℃/6 h)對比實驗。

1933鋁合金鍛件的力學性能在CSS—44100萬能材料力學拉伸機上測試，取樣方向為鍛壓過程中金屬的主流動方向，拉伸速度為2 mm/min。合金電導率(E)測量按GB/T12966標準在渦流電導儀7501型上進行。根據(jù)GB/T 15970.7?2000，采用慢應變速率拉伸(SSRT)試驗來評定抗應力腐蝕性能，試樣標距為20 mm，拉伸應變速率 5×10?6s?1，取樣方向為高向(即鍛壓方向)，實驗在Letry微應變速率拉伸機上進行。慢應變速率拉伸試樣分為2組：一組試樣在3.5% NaCl水溶液中進行，另一組參考試樣在空氣中進行。所有實驗均在室溫下進行。通過TECNAI G220分析電鏡，觀察合金中析出相的尺度、形貌和分布等。加速電壓為200 kV。

表2 雙級時效工藝正交實驗方案Table 2 Orthogonal test of the two-step aging

2 實驗結果

2.1 力學性能與電導率

時效制度對合金力學性能與電導率的影響如表 3所示。對于1933鋁合金鍛件，雙級時效主要是要在保持較高強度的同時提高合金的抗應力腐蝕性能。一般而言，電導率越高，抗應力腐蝕性能越好。7×××系鋁合金要具有較好的抗應力腐蝕性能，電導率一般要求大于22.04 MS/m[14]。

從表3可以看出：T6態(tài)合金的強度最高，但電導率最低，說明該時效狀態(tài)下合金的抗應力腐蝕性能最差。相對于 T6態(tài)，合金經過雙級時效后其抗拉強度和屈服強度(除 8號外)均有所下降，但電導率均有較大幅度提高，表明合金經過雙級時效后抗應力腐蝕性能增強。而相對于T73態(tài)(110 ℃/12 h+180 ℃/6 h)，除3號和5號樣品外，其余樣品的力學性能均不同程度提高。由表3可知：通過不同時效工藝可獲得合金不同的力學性能與抗應力腐蝕性能的組合，而合適的雙級時效處理可使合金獲得較高強度與良好抗應力性能的匹配。因此，可根據(jù)實際對合金強度和抗應力腐蝕性能的要求，選擇不同的雙級時效工藝以獲得各種性能的組合。

本實驗的主要目的是在滿足高電導率(E＞38%IACS)的前提下，使強度盡可能接近T6態(tài)。綜合比較雙級時效后鍛件的各項性能發(fā)現(xiàn)，6號和8號時效制度相對于T6時效，可大幅度提高合金的電導率(上升幅度約為19.5%)，且強度下降很少(抗拉強度與屈服強度僅分別下降約3.8%與1.0%)，同時伸長率仍為10%以上。因此，6號(110 ℃/6 h+160 ℃/8 h)和8號(120 ℃/9 h+160 ℃/6 h)為最優(yōu)的時效制度。

表3 正交實驗結果Table 3 Experimental results of orthogonal test

2.2 極差分析

計算各因素下力學性能及電導率的均值，對實驗結果進行極差分析，分辨主次因素，結果見表4。

通過對正交試驗結果的極差分析可知，一級時效溫度T1對合金的抗拉強度及屈服強度影響幅度很小，其極差分別僅為7 MPa和4 MPa；合金的伸長率隨著一級時效溫度升高而下降，電導率則略有提高。一級時效時間t1對抗拉強度與屈服強度的影響較一級時效溫度T1的影響稍大，伸長率隨著一級時效時間t1的延長略上升，電導率則略下降；二級時效溫度T2對合金抗拉強度與屈服強度影響幅度最大，極差分別高達63 MPa和86 MPa；同時，電導率隨著二級時效溫度T2的升高顯著上升，極差達到2.90 MS/m，伸長率也提高。這說明二級時效溫度T2對合金性能的控制最為重要。二級時效時間t2對合金的影響也較大，隨著二級時效時間t2的延長，抗拉強度與屈服強度降低，電導率逐漸升高，而伸長率則降低。

2.3 時效制度對合金抗應力腐蝕性能的影響

根據(jù)力學性能測試結果及對合金電導率的要求，選取綜合性能最優(yōu)組(6號樣品)及 2組對比樣品進行慢應變速率拉伸試驗以衡量其抗應力腐蝕性能。圖 1

表4 極差分析Table 4 Results of range analysis

表5 1933鋁合金鍛件的慢應變速率拉伸強度Table 5 Strength of SSRT of 1933 aluminum alloy forging

圖1 1933鋁合金鍛件時效后的慢應變速率拉伸結果Fig.1 Results of SSRT of 1933 aluminum alloy forging after aging

與表5所示分別為1933鋁合金慢應變速率拉伸曲線和性能。根據(jù) GB/T15970.7?2000，采用強度損失(Δσ)來衡量抗應力腐蝕性能的高低。公式為：其中：σb(空氣)和σb(3.5%NaCl水溶液)分別為合金在空氣中和3.5% NaCl水溶液中的抗拉強度。由表5和圖1可知：1933鋁合金鍛件在120 ℃/24 h時效狀態(tài)下的強度損失為 5%，與在空氣環(huán)境相比，合金在腐蝕環(huán)境中的伸長率大大降低(圖1(a)所示)，僅為空氣環(huán)境中的40%左右，說明1933鋁合金鍛件在峰值時效狀態(tài)下的應力腐蝕開裂傾向很大。經過雙級時效110 ℃/6 h+160 ℃/8 h后，合金的抗應力腐蝕性能明顯提高，強度損失僅為2.4%，同時合金在腐蝕環(huán)境中的伸長率未下降。當時效制度為110 ℃/12 h+180 ℃/6 h時，合金的抗應力腐蝕性能進一步提高，強度損失僅為0.7%，伸長率也未下降，說明合金在該時效狀態(tài)下幾乎無應力腐蝕開裂傾向。

圖2 1933鋁合金鍛件時效后的微觀組織(TEM)Fig.2 Microstructures (TEM) of 1933 aluminum alloy forging after aging

2.4 時效制度對鍛件顯微組織的影響

圖2所示為1933鋁合金鍛件經不同制度時效后的顯微組織。合金經過120 ℃/24 h時效后，晶內的沉淀相主要是GP區(qū)和η′相，其分布細小彌散。晶界上第二相呈鏈狀連續(xù)或呈多層網狀結構分布，無明顯無沉淀析出帶(PFZ，Precipitation free zone)(圖2(a))。經過110 ℃/6 h+160 ℃/8 h雙級時效后，晶內沉淀相主要為η相以及少量的η相，晶界析出相粗化且呈不連續(xù)分布，同時發(fā)現(xiàn)有明顯的 PFZ(圖 2(b))。經 110 ℃/12 h+180 ℃/6 h雙級時效后，晶內與晶界析出相進一步粗化，且晶界析出相之間的間距與PFZ的寬度較110℃/6 h+160 ℃/8 h時效后明顯增大。

3 分析與討論

7×××系鋁合金屬析出沉淀強化型超高強鋁合金，其強度性能與應力腐蝕敏感性等受時效熱處理工藝影響明顯。合金微觀組織的微小變化，可引發(fā)其性能顯著波動。Al-Zn-Mg-Cu系合金的基體沉淀相，晶界沉淀相和無沉淀析出帶(PFZ)的特性，直接決定了合金的性能[10]。

3.1 時效制度對鍛件組織和力學性能的影響

一般認為，7×××系鋁合金在溫度較低的情況下，如 120 ℃，其析出序列為：過飽和固溶體—GP區(qū)—亞穩(wěn)相η′—平衡相η(MgZn2)。1933鋁合金鍛件經120 ℃/24 h時效后，晶內主要的沉淀相為GP區(qū)和η′相[6?9]。晶界相則主要為平衡相η相，呈連續(xù)鏈狀或多層網狀結構分布， PFZ不明顯，如圖2(a)所示。合金在該時效狀態(tài)下的晶內沉淀相GP區(qū)和η′相分別為共格與半共格相，且尺度小，密度高，所以，合金強度很高，抗拉強度和屈服強度分別為 531 MPa和 478 MPa。

雙級時效分為第1級時效與第2級時效2個階段。第1級時效階段的主要作用是形成大量穩(wěn)定的GP區(qū)，作為第2級時效階段的析出核心。根據(jù) Lorimer等[15]提出的析出相成核動力學模型，合金中存在某一臨界溫度TGP，當時效溫度高于TGP時，GP區(qū)因不穩(wěn)定而溶解，從而導致后續(xù)時效的析出核心減少；若低于這一溫度， GP區(qū)的尺度大于某一臨界值，它就成為過渡相析出的核心；在TGP以下時效時，時效溫度越高，則達到臨界尺度并能在高于TGP的時效溫度條件下成為晶核的 GP區(qū)數(shù)目就越多。這就是1933鋁合金鍛件經過不同第1級時效溫度的雙級時效后各性能有所差異的原因。由實驗結果(見表4) 可知：第1級時效溫度為110 ℃時，形成了最多的可作為過渡相析出核心的GP區(qū)；在后續(xù)階段時效(第2級時效)過程中，這些GP區(qū)核心逐漸轉變成η′相，形成細小彌散的沉淀相組織，因此，合金強度較高。

合金的過飽和固溶體經過第 1級時效成核階段后，進入第2級時效穩(wěn)定化階段。該階段主要是為了使晶界處原有連續(xù)分布的析出相部分溶解，形成斷續(xù)的析出相并長大，從而提高合金的耐蝕性能。同時，在第2級時效初期，基體內部GP區(qū)轉變成η′相或者η′相在已有的GP區(qū)上形核長大，甚至直接析出η相。隨著時效時間的延長，強化相(η′相)向平衡相(η相)轉變，隨后η相粗化。因此，雙級時效后鍛件的強度會降低。本實驗中，第2級時效溫度為160 ℃時，如110℃/6 h+160 ℃/8 h(見圖2(b))，晶內沉淀相細小彌散，同時，晶界上第2相粗化且呈斷續(xù)分布，且出現(xiàn)了明顯的PFZ。所以，在該時效狀態(tài)下，1933鋁合金鍛件仍然具有較高的力學性能，如表4所示，正交試驗結果中 160 ℃時的抗拉強度與屈服強度的均值分別為502 MPa和467 MPa。尤其是6號和8號樣品的抗拉強度均達510 MPa以上，屈服強度在469 MPa以上。隨著第2級時效溫度的上升，基體中的沉淀相粗化，同時晶界析出相的尺度和間距增大，PFZ變寬，合金的強度下降。特別是當?shù)?級時效溫度為180 ℃時，如 110 ℃/12 h+180 ℃/6 h(見圖 2(c))，晶內析出相嚴重粗化，導致鍛件強度顯著下降。在第2級時效溫度為180 ℃時，抗拉強度與屈服強度的均值分別僅為 439 MPa和381 MPa。

3.2 時效制度對SCC性能的影響

由于影響應力腐蝕開裂的因素多且過程復雜，關于其作用機理尚未達成一致。而對于 7×××系鋁合金的應力腐蝕開裂機理，氫致破裂理論和陽極溶解理論得到了大多數(shù)學者的認同[2]。氫致破裂理論認為，在拉伸應力作用下，腐蝕過程中產生的活性原子H沿晶界擴散進入裂紋尖端區(qū)引起氫脆，從而加速了應力腐蝕裂紋的擴展。陽極溶解理論認為，應力腐蝕開裂是由于裂紋尖端陽極快速連續(xù)溶解的結果，應力加速了陽極溶解的速率并且促進金屬的分離。目前，也有人認為應力腐蝕開裂是2種機理共同作用的結果。

圖3 1933鋁合金鍛件時效后的應力腐蝕開裂模型Fig.3 Model of strain corrosion cracking of 1933 aluminum alloy forging after aging single step aging (T6) statement;(b) two-step aging statement

根據(jù)上述腐蝕開裂機理，對于7×××系鋁合金，基體沉淀相特征與晶界結構是決定合金抗應力腐蝕性能的重要因素。1933鋁合金鍛件的應力腐蝕開裂模型如圖3所示。在T6狀態(tài)下，晶內析出相以細小η′相與GP區(qū)為主，晶界析出相連續(xù)分布。小尺度的析出相捕獲基體中自由氫原子的能力較低，更多的氫原子容易擴散至晶界聚集成氫分子，導致氫脆，且連續(xù)的晶界析出相能夠作為陽極溶解通道，促進應力腐蝕開裂。同時，由于晶內析出相尺度小，合金在變形過程中產生的位錯能夠切過這些細小的析出相造成平面滑移，從而在晶界產生應力集中，加劇應力腐蝕開裂。所以，1933鋁合金鍛件經T6(120 ℃/24 h)時效后，雖然具有最好的力學性能，但抗應力腐蝕性能很差。鍛件經過雙級時效(110 ℃/6 h+160 ℃/8 h)后，晶內析出相粗化，捕獲自由氫原子的能力增強，降低了氫脆傾向。晶界析出相粗化且轉變?yōu)榉沁B續(xù)分布，這種結構能夠阻斷作為陽極的晶界析出相的連續(xù)溶解。同時，隨著晶內析出相粗化，合金在變形過程中產生的位錯，更趨于繞過第2相產生交滑移，減少了晶界應力集中，也減小了應力腐蝕開裂傾向。所以，合金經雙級時效后的抗應力腐蝕性能顯著增強。合金經過 110 ℃/12 h+180 ℃/6 h時效后，晶內析出相尺度進一步增大，晶界析出相更加斷續(xù)、粗大，其抗應力腐蝕性能進一步增強。但由于晶內析出相尺度過大，其強度損失也很明顯。

4 結論

(1) 1933鋁合金鍛件經過雙級時效后，相對于峰值時效其電導率大幅上升，抗應力腐蝕性能顯著提高，而力學性能有所下降。

(2) 1933鋁合金鍛件最優(yōu)時效制度為 100 ℃/6 h+160 ℃/8 h和120 ℃/9 h+160 ℃/6 h時。在該時效制度下，相對于T6態(tài)，合金的電導率提高19.5%，超過了22.04 MS/m，抗應力腐蝕性能顯著提高，力學性能略有下降。

(3) 第 2級時效溫度是雙級時效工藝因素中控制合金性能最重要的因素。

(4) 合金基體沉淀相細小彌散，晶界第 2相粗大且呈斷續(xù)分布，使合金在保持較高力學性能的同時，具有較好的抗應力腐蝕性能。

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(編輯 張曾榮)

Effects of two-step aging on microstructure and properties of 1933 aluminum alloy forging

ZHANG Xin-ming1,2, OU Jun1,2, LIU Sheng-dan1,2, XU Min1,2, YOU Jiang-hai1,2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Educational Key Laboratory of Non-ferrous Metal Materials Science and Engineering,Central South University, Changsha 410083, China)

The influence of two-step aging on the mechanical properties, stress corrosion cracking resistant and microstructure of 1933 aluminum alloy forging were investigated by electrical conductivity test, ambient temperature tensile properties test, transmission electron microscopy and orthogonal test. The results show that compared with the peak aged sample, the ultimate tensile strength and yield strength of the two-step aged samples (110 ℃/6 h+160 ℃/8 h or 120 ℃/12 h+160 ℃/6 h) are decreased by 3.8% and 1.0%, respectively. Meanwhile, the conductivity is enhanced by 19.5% with an evident improvement in the stress corrosion cracking resistant. The temperature of the second step aging is the most significant factor to control the properties of the alloy. After the proper two-step aging, the fine precipitates are presented with the matrix, and the grain boundaries are decorated with coarserηparticles which are distributed continuously.

1933 aluminum alloy forging; aging; mechanical property; stress corrosion cracking resistance;microstructure

TG146.2；TG113

A

1672?7207(2011)02?0342?07

2009?12?03；

2010?02?05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2005CB623700)

張新明(1946?)，男，湖南安鄉(xiāng)人，博士，教授，博士生導師，從事材料科學與工程的研究；電話：0731-88830265；E-mail：xmzhang_cn@yahoo.cn