李紅英，劉蛟蛟，余瑋琛，郝壯志

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固溶處理對7B04鋁合金組織及性能的影響

李紅英1, 2, 3，劉蛟蛟1, 2，余瑋琛1, 2，郝壯志1, 2

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室，長沙 410083；3. 中南大學(xué) 有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410083)

利用金相組織觀察(OM)、掃描電鏡分析(SEM)、透射電鏡觀察(TEM)以及硬度測試，研究固溶處理對7B04鋁合金顯微組織及硬度的影響。結(jié)果表明：實驗合金中的相(MgZn2)為易溶相，相(Al2CuMg)為難溶相，含F(xiàn)e雜質(zhì)相為不溶相；進(jìn)行單級固溶處理時，隨著固溶溫度的升高，實驗合金的固溶程度、再結(jié)晶程度和再結(jié)晶晶粒尺寸增加，當(dāng)溫度超過480 ℃時，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，力學(xué)性能惡化，7B04鋁合金淬火敏感性較高；雙級固溶可有效抑制合金再結(jié)晶、降低合金淬火敏感性，實驗條件下較好的雙級固溶工藝為(450 ℃, 0.5 h)+(490 ℃, 0.5 h)，抑制合金再結(jié)晶效果最佳，經(jīng)120 ℃時效24 h后，硬度達(dá)到最大值，為204HV1。

7B04鋁合金；雙級固溶；淬火敏感性；硬度

7B04鋁合金具有良好的強(qiáng)韌匹配性、較好的耐蝕性和疲勞抗性，同時具有較好的熱加工性能和焊接性能，作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸和軍事領(lǐng)域[1?2]。7B04鋁合金為可熱處理強(qiáng)化的7xxx鋁合金，國內(nèi)外材料工作者對7xxx鋁合金的熱處理進(jìn)行了大量的研究，除了單級時效工藝外，還開發(fā)了T73、T76、T74、T77和RRA等多級時效工藝，不斷探索新的時效工藝，通過調(diào)整合金析出相的形態(tài)、大小及分布，滿足不同的服役性能要求[3?8]。固溶處理是非常重要的熱處理工序，適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砜蔀楹罄m(xù)時效處理打下較好的基礎(chǔ)，促進(jìn)時效合金形成細(xì)小彌散的析出相[9?10]，從而獲得較好的強(qiáng)化效果。較高的固溶溫度可進(jìn)一步提高合金的固溶程度，以達(dá)到盡量將合金元素及粗大第二相溶解入基體的目標(biāo)。但是，隨著固溶溫度的升高，在固溶程度增大的同時，合金的再結(jié)晶程度也在增大，固溶溫度增加到一定值甚至?xí)?dǎo)致合金過燒[11]。再結(jié)晶程度提高不僅會弱化合金強(qiáng)度，同時也會增加淬火敏感性，導(dǎo)致淬火冷卻過程析出粗大的第二相粒子，成為應(yīng)力集中和裂紋萌生處，極易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂，此外，還會降低合金的過飽和程度和時效析出驅(qū)動力。過燒會使合金晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，過燒組織無法恢復(fù)，淬火時形成龜裂，對合金產(chǎn)生不可逆的損傷，顯著惡化合金綜合性能。采用多級固溶處理，可以適當(dāng)提高固溶溫度而不產(chǎn)生過燒，從而提高合金固溶效果和淬火后的過飽和度，抑制合金再結(jié)晶[12?13]。目前，對于7xxx系鋁合金熱處理的研究多在淬火和時效處理，研究不同淬火處理和時效制度對合金組織和性能的影響[14?15]。對于多級固溶的系統(tǒng)性研究還較少，而我國的鋁合金固溶熱處理技術(shù)研究與國外相比存在較大差距。本文作者研究不同固溶工藝對7B04鋁合金組織性能的影響，旨在提高合金時效析出驅(qū)動力和改善合金的綜合性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 實驗

實驗材料為工廠提供的7B04鋁合金熱軋板，來料經(jīng)熔煉鑄造、均勻化退火、鋸切銑面和熱軋，其化學(xué)成分見表1。

表1 7B04鋁合金的化學(xué)成分

Table 1 Chemical composition of 7B04 aluminium (mass fraction,%)

固溶處理在HXSG2?1200箱式電阻爐進(jìn)行，固溶工藝如表2所示，其中S1~S5為單級固溶工藝，固溶溫度分別為450、460、470、480和490 ℃，加熱到不同溫度固溶處理1 h，D1~D9為雙級固溶工藝，第一級固溶溫度分別為440、450和460 ℃，第二級固溶溫度分別為470、480和490 ℃，固溶時間均為0.5 h。固溶處理后采用常溫水淬冷卻至室溫，淬火轉(zhuǎn)移時間不大于5 s，淬火后馬上在熱風(fēng)循環(huán)電爐中進(jìn)行人工時效，時效工藝均為120 ℃保溫24 h。

表2 固溶工藝實驗方案

Table 2 Experimental scheme of solution treatment

按照GB/T3246.1?2000對金相樣品進(jìn)行陽極覆膜，稱取117 g(H3BO3)于塑料容器內(nèi)，加入500 mL水，333 mL氫氟酸(1.15 g/mL)，待硼酸溶解完全后冷卻，用水稀釋至1L，配成所需氟硼酸溶液(16.8g/L)對試樣進(jìn)行陽極覆膜。采用Leica DMI3000金相顯微鏡在偏光下觀察合金的顯微組織結(jié)構(gòu)，觀察晶粒大小和形貌。

采用Sirion200掃描電鏡對樣品進(jìn)行環(huán)境掃描分析，主要觀察第二相大小、形貌和分布。采用TECNAI G220型透射電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，主要觀察淬火冷卻析出相和時效析出相形貌、尺寸以及分布，同時觀察合金再結(jié)晶晶界形貌等。

按照GB/T 4340.1?2009《金屬材料維氏硬度試驗》進(jìn)行硬度測試，采用310HVS?5型小負(fù)荷維氏硬度計，實驗載荷為9.8 N，加載時間為15 s，每個樣品取5個點并求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單級固溶

圖1所示為實驗合金經(jīng)不同溫度單級固溶1 h后的金相照片。由圖1可以看出，合金發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，隨著固溶溫度升高，再結(jié)晶程度提高，經(jīng)450 ℃固溶處理后，晶?；颈３掷w維狀；經(jīng)460 ℃和470 ℃固溶后，合金發(fā)生部分再結(jié)晶，晶粒由長條狀向等軸狀轉(zhuǎn)變，晶界鋸齒化明顯，呈現(xiàn)典型再結(jié)晶特征；經(jīng)470 ℃固溶處理后，長條狀晶粒較少；當(dāng)固溶溫度大于480 ℃時，觀察到大量等軸晶粒，表明合金發(fā)生了充分再結(jié)晶；經(jīng)490 ℃固溶處理后，再結(jié)晶晶粒長大。