楊智強(qiáng)，朱甫宏

(1.東北石油大學(xué)，遼寧 大慶 163000;2.73021部隊(duì)，浙江 杭州 310023)

不同成分和熱處理制度對(duì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的影響

楊智強(qiáng)1，朱甫宏2

(1.東北石油大學(xué)，遼寧 大慶 163000;2.73021部隊(duì)，浙江 杭州 310023)

針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)辖鹦阅芴岢龅母咭?，?056合金作為研究基礎(chǔ)，制備了包含不同Zn/Mg成分比的合金材料，并分析了單級(jí)和雙級(jí)不同時(shí)效制度對(duì)7056合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。重點(diǎn)探討了在不同熱處理工藝條件下對(duì)合金材結(jié)構(gòu)和性能的影響。

合金成分；時(shí)效制度；微觀組織；力學(xué)性能；成分比

超高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系合金，以較高的比剛度、比強(qiáng)度被廣泛地應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，如空客380民用運(yùn)輸機(jī)身術(shù)條所采用的7055-T76511；但隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展和行業(yè)對(duì)合金要求的提高，材料研發(fā)者開始對(duì)合金成分和熱處理的工藝進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高材料性能的目的。

1 合金制備與試驗(yàn)方法

1.1 合金成分設(shè)計(jì)

本研究以7056鋁合金作為研究對(duì)象，制備了不同Zn/Mg成分比的Al-Zn-Mg-Cu板材，其具體成分見表1。

表1 試驗(yàn)合金成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 合金制備

合金原材料采用99.99%高純度鋁，99.9%高純度鎂，99.99%高純度鋅，Al-39.3%Cu、Al-4%Zr、Al-15%Mn和Al-4%Ti等中間合金。在制備過程中，采用的①號(hào)覆蓋劑(47%KCl-30%NaCl-23%Na3AlF6)對(duì)熔體進(jìn)行保護(hù)，在鑄鐵模中進(jìn)行澆鑄。熔鑄過程為在爐溫升至600 ℃以上后，加入合金原材料及其各種中間合金材料，待充分熔化之后扒渣，并加入覆蓋劑，溫度為760 ℃時(shí)，添加鋅、鎂，熔化后扒渣，采用六氯乙烷對(duì)其進(jìn)行精煉除氣，并靜置>10 min，待溫度降至700 ℃后取出，通過鑄鐵模得到模型。通過試驗(yàn)測定其化學(xué)成分見表2。

表2 試驗(yàn)合金成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 熱處理工藝

本研究采用單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)合金的綜合性能進(jìn)行評(píng)估，具體工藝見表3。

表3 7056鋁合金熱處理制度

2 不同熱處理工藝下的7056合金時(shí)效特性研究

2.1 單級(jí)時(shí)效特性研究

研究在單級(jí)時(shí)效條件下，不同Zn/Mg成分比的合金在不同時(shí)效溫度條件下(105、120、135和150 ℃)的時(shí)效特性(如維氏硬度、電導(dǎo)率)及顯微組織結(jié)構(gòu)，以便更好地了解在不同時(shí)效下的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為后續(xù)的7056鋁合金熱處理提供參考。

2.1.1 單級(jí)時(shí)效的硬度與電導(dǎo)率曲線

通過試驗(yàn)可得到7056合金在105、120、135和150 ℃時(shí)效溫度下的硬度與電導(dǎo)率特性的曲線(見圖1)。

圖1 不同時(shí)效溫度下的硬度與電導(dǎo)率特性

從圖1可以看出，該合金具有極快的時(shí)效響應(yīng)速度，在上述溫度下時(shí)效1 h，其硬度上升至188～206 HV，同時(shí)通過計(jì)算，其合金峰值硬度達(dá)到最高峰值的86.9%以上，時(shí)效溫度越高，其時(shí)效的反應(yīng)速度也就越快，達(dá)到T6峰時(shí)效也就越短。4種不同溫度下其達(dá)到T6峰值的時(shí)效時(shí)間其分別為20、12、6和3 h，與之前的很多文獻(xiàn)所報(bào)道的在120 ℃峰時(shí)效24 h和在150 ℃峰時(shí)效的8～12 h的時(shí)間相比較大幅度提前。

通過圖2a的硬度特性曲線可以看出，7056合金在105和120 ℃溫度的時(shí)效過程中，硬度在達(dá)到峰值后較長時(shí)間以內(nèi)未出現(xiàn)大幅度的下降，時(shí)效在40 h后將繼續(xù)延長時(shí)效時(shí)間，并且硬度幾乎保持不變。時(shí)效在150 h之后，硬度仍能保持在205或200 HV左右；但在150 ℃時(shí)效60 h后，硬度降低至160 HV，隨后開始緩慢的下降。合金在135 ℃時(shí)效時(shí)，時(shí)效在16～40 h這個(gè)階段，其硬度在202～205 HV波動(dòng)。

通過圖2b的電導(dǎo)率可以看出，在低溫105和120 ℃下，時(shí)效在初期0～1 h，電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐步下降后緩慢上升的走向，整個(gè)電導(dǎo)率的變化都表緩慢和平緩。在150 h后，電導(dǎo)率分別為27.4%I和31.4%。在高溫條件下(135和150 ℃)，電導(dǎo)率變化趨勢(shì)比較明顯，并在時(shí)效150 h后，其電導(dǎo)率可達(dá)到33.7%IACS。

2.1.2 不同Zn/Mg比對(duì)合金性能的影響

從圖2可以看出，在峰時(shí)效之前在硬度和電導(dǎo)率方面的變化基本相同，但是在進(jìn)入時(shí)效之后，Zn/Mg比最高的3#的硬度下降最快，電導(dǎo)率也上升的最快。從整體來看，Zn/Mg比越高的，電導(dǎo)率越高，硬度也就越低，在上述時(shí)效溫度變化的情況下，Zn/Mg比變化為造成7056合金性能的變化。而當(dāng)溫度在達(dá)到150 ℃之后，在硬度和電導(dǎo)率方面的變化速率都很快。其中，Zn/Mg比最高的3#在150 ℃時(shí)效要提前2 h，硬度要低于1#、2#。

從綜合性能比較來看，在120 ℃/12 h時(shí)其性能最好，綜合性能排序?yàn)?#>2#>3#。

2.2 雙級(jí)時(shí)效工藝特性研究

通過在T6峰的時(shí)效處理可以使得合金達(dá)到比較高的強(qiáng)度，但是針對(duì)高性能的合金材料， SCR性能和斷裂鋪性能所體現(xiàn)出的劣勢(shì)則嚴(yán)重制約著材料的應(yīng)用；因此，在對(duì)合金材料的特性評(píng)價(jià)中，除單級(jí)條件下的特性研究外，通常還對(duì)多級(jí)條件下的合金性能進(jìn)行研究。對(duì)此，本文對(duì)在多級(jí)性能條件下的7056合金熱工藝處理，并對(duì)其綜合性能和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。傳統(tǒng)的T7過時(shí)效制度根據(jù)其時(shí)效程度的不同，將其分為T73、T74、T76 3種不同制度，但很多研究者認(rèn)為，T7過時(shí)效制度會(huì)給合金的綜合性能帶來很大的影響，如中南大學(xué)的研究者認(rèn)為采用先低溫后高溫的方式，可明顯提高合金的電導(dǎo)率；但是很難保障合金的綜合性能。對(duì)此，本文采用先高溫后低溫的雙級(jí)時(shí)效工藝。

圖2 3種合金在105、120、135和150 ℃下的硬度與電導(dǎo)曲線

在工藝制造中，中厚板Al-Zn-Mg-Cu合金因不同厚度層其溫度不均勻，以此導(dǎo)致其內(nèi)部存在著顯微結(jié)構(gòu)差異，而只有在時(shí)效足夠長的條件下，才能使得合金在整體的組織上可以趨于達(dá)到均勻，最后達(dá)到最為理想的熱處理的效果；因此，采用高溫短時(shí)和低溫長時(shí)的時(shí)效工藝，可改善7056合金的綜合性能。參考各種資料，選擇L9(34)正交表對(duì)其中的T79熱工藝進(jìn)行研究，其因素水平見表4。

表4 先高溫后低溫的雙級(jí)時(shí)效因素-水平表

本文以2#作為研究對(duì)象，則可以得到正交結(jié)果見表5。

表5 2#鋁合金先高溫后低溫的雙級(jí)時(shí)效正交試驗(yàn)結(jié)果

通過表5可以看出，第1級(jí)時(shí)效溫度對(duì)2#合金的硬度的影響其最為大，第2級(jí)時(shí)效影響其次。

在不考慮電導(dǎo)率的情況下，選擇A2*B1+C3*D3更有利于該合金的硬度。同時(shí)針對(duì)電導(dǎo)率來看，則選擇A3*B3+C3*D3更有利于其電導(dǎo)率。綜合考慮上述問題可以得到，對(duì)于2#合金，其最佳的雙級(jí)時(shí)效的工藝為：A2*B2+C3*D3，即150 ℃/5 h+135 ℃/24 h。因此，依次對(duì)不同的工藝進(jìn)行研究，最終可得到適合先高溫后低溫的熱處理制度，應(yīng)選擇155 ℃/2h+125 ℃/24h。

3 結(jié)語

7056合金有著極快的響應(yīng)速度，時(shí)效溫度越高，其響應(yīng)速度也就越快。該合金其在105和150 ℃時(shí)效為1 h，硬度分別為188.3和206.2 HV。適合該合金的最佳T6峰時(shí)效制度為120 ℃/12 h。不同雙級(jí)工藝方式下，在接近T6峰時(shí)效的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步的接近該T6峰時(shí)效的強(qiáng)度，而在雙級(jí)時(shí)效制度的關(guān)鍵在于對(duì)溫度的控制。對(duì)整體來講，最優(yōu)的工藝為155 ℃/2 h+125 ℃/24 h。

[1] 張利軍,申偉.薄壁鋁合金材料熱處理工藝技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝.2013(6)：104-105

[2] 李松瑞,周善初,田榮璋.金屬熱處理[M].長沙：中南大學(xué)出版社,2003(5):234-235.

[3] 范述寧.S32750+Q345R不銹鋼復(fù)合厚鋼板熱處理工藝研究[J].新技術(shù)新工藝.2013(1)：83-84.

責(zé)任編輯李思文

DifferentCompositionandHeatTreatmentSystemontheInfluenceofStructureandPerformanceofAlloyMicrostructure

YANG Zhiqiang1,ZHU Puhong2

(1.Northeast University of Petroleum, Daqing 163000, China; 2.73021 Troop, Hangzhou 310023, China)

In view of the application field of alloy performance put forward higher requirements, based on the study of the 7056 alloy, prepared containing different composition than the alloy material, and analyzed the single stage and double stage different limitation system influence on the microstructure and mechanical properties of 7056 alloy. And mainly discussed the impacts on structure and performance of alloy under different heat treatment process conditions.

alloy composition, aging system, microstructure, mechanical properties, ingredients

TG 162.1

：A

楊智強(qiáng)(1989-)，男，碩士研究生，主要從事金屬材料工程等方面的研究。

2014-12-04