蘇曉瞳 遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

空冷處理對鑄軋超高強鋁合金組織與性能的影響

蘇曉瞳 遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

通過光學(xué)顯微鏡、維氏硬度測試等方法，研究了空冷處理對鑄軋 7050鋁合金的固溶組織與性能的影響。

鋁及鋁合金越來越成為工業(yè)主要結(jié)構(gòu)用材，其發(fā)展應(yīng)用與工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，根據(jù)鋁及鋁合金的性能特點以及工業(yè)與工藝方面的需要，對鋁及鋁合金進行歸類研究，分析鋁合金的應(yīng)用情況并提出了鋁及鋁合金的下一步發(fā)展方向。

鋁及鋁合金具有密度小、耐蝕性和成型性好等一系列優(yōu)點[1]。在航天、航空、船舶、核工業(yè)及兵器工業(yè)等有著廣泛的應(yīng)用前景及不可替代的地位。因而鋁和鋁合金的研制技術(shù)被列為國防科技關(guān)鍵技術(shù)及重點發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

1 鋁及鋁合金的特點

第一密度小，熔點低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，磁化率低。合金的密度也很小，熔點更低，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。其次抗大氣腐蝕性能好。鋁和氧的化學(xué)親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會很快形成一層致密的氧化膜，防止內(nèi)部繼續(xù)氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。最后加工性能好，比強度高。

純鋁為面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能，純鋁的強度低，雖經(jīng)冷變形強化，強度可提高，但也不能直接用于制作受力的結(jié)構(gòu)件，而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強度可大大提升，相當于低合金鋼的強度，比強度高，成為飛機的主要結(jié)構(gòu)材料。鋁合金按生產(chǎn)工藝可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。鑄造鋁合金又可分為Al-Si，系鑄造鋁合金、Al-Cu，系鑄造鋁合金、Al-Mg，系鑄造鋁合金、變形鋁合金可分為防銹鋁、硬鋁、鍛鋁和超硬鋁四類。防銹鋁包括Al-Mn，及Al-Mg，系合金，抗腐蝕性好，機械強度高于工業(yè)純鋁，同時具有良好的焊接性能，但不能熱處理強化。。銅是硬鋁中的主要合金元素，為了提高強度，銅含量控制在4．0%-4．8%的范圍內(nèi)。超硬鋁屬Al-Zn-Mg-Cu系是鋁合金中強度最高的一類。通過控制鎂、鋅總量，添加適量的銅、鉻及錳可改善合金的抗應(yīng)力和抗腐蝕能力。

此材料系超高強度鋁合金具有良好的切削性能，機械強度高，耐磨性能好經(jīng)熱處理后硬度高，國內(nèi)此材料已逐步代替銅材。氧化性能一般是本企業(yè)主要生產(chǎn)牌號。可生產(chǎn)鋁棒、方棒、異型棒，但不可生產(chǎn)空腹產(chǎn)品，廣泛用于汽車活塞、受力元件、氣動元件、五金件、摩托車配件、接頭等。

2 超高強鋁合金的特點

超高強度鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu系為主的可熱處理強化的鋁合金。它具有高的比強度和硬度、良好的熱加工性、優(yōu)良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點，宜做承受較大的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，人們逐漸認識到，對結(jié)構(gòu)材料的性能要求不僅是好的靜強度和剛度，而且還包括較好的抗蝕性能，較高的斷裂韌性和疲勞強度。

此類合金是隨著航空和航天發(fā)展需要而開發(fā)出來的一類超高強鋁合金材料，屈服強度一般在500MPa以上，它具有高的比強度和硬度、良好的熱加工性、優(yōu)良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能以及較高的韌性等優(yōu)點。超高強鋁合金因為性能優(yōu)越而且成本較低，在很多領(lǐng)域取代了昂貴的鈦合金，成為飛機制造中不可或缺的重要結(jié)構(gòu)材料，也是戰(zhàn)斗機、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料之一，廣泛應(yīng)用于航空航天及軍事工業(yè)。

隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)及民用飛機事業(yè)的發(fā)展，超高強鋁合金的用量大大增加，對超高強鋁合金材料也提出了更高的要求，比如高的比強度、高的比剛度、高的斷裂韌性、低的裂紋擴展速率、抗疲勞、耐腐蝕性能等。為了滿足這種需求，材料工作者通過采用新型加工成形方法及熱處理工藝，優(yōu)化合金的成分設(shè)計等，研發(fā)出多種使用性能較好的超高強鋁合金，這些合金既具有高的抗拉強度，又能保持較高的韌性和耐腐蝕性能。超高強鋁合金正成為世界各國結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點之一。

3 超高強鋁合金的熱處理工藝

高強鋁合金熱處理的目的是通過工藝參數(shù)的合理選擇，使合金得到良好的綜合性能。高強鋁合金熱處理主要包括均勻化、固溶淬火、時效等工藝，其中時效工藝又包括單級時效、雙級時效、回歸再時效和形變時效(形變熱處理)。

3.1 固溶熱處理

超高強鋁合金主要通過時效析出而強化，過飽和程度的提高將提高時效析出相的數(shù)量，增加強化效果。在現(xiàn)有合金的發(fā)展演變過程中，為保證或提高合金的強度，常提高合金元素的含量，在可溶結(jié)晶相未充分固溶的情況下，這對合金的綜合性能產(chǎn)生不利影響。過飽和程度既與合金成分有關(guān)，也與固溶程度有關(guān)。因此，對時效強化效果而言，提高固溶程度與增加合金元素含量作用是類似的。采用雙級強制固溶處理和連續(xù)升溫固溶處理技術(shù)可以有效提高固溶效果。強化固溶與一般固溶相比，在不提高合金元素總含量的前提下提高了固溶體的過飽和度，同時減少了粗大未溶結(jié)晶相，對于提高時效析出程度和改善抗斷裂性能具有積極意義，是提高超高強鋁合金綜合性能的一個有效途徑。

3.2 單級時效

單級時效是一級時效。完全時效后，晶內(nèi)析出細小的共格或半共格彌散相，晶界分布著較粗大的連續(xù)鏈狀質(zhì)點，這種晶界組織對應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕十分敏感。完全時效后合金強度可達峰值(T6態(tài))，但抗應(yīng)力腐蝕性較差。

3.3 雙級時效

雙級時效的目的就是犧牲部分合金的強度，提高合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。雙級時效中，第一級時效為低溫預(yù)時效，相對于成核階段，形成大量的GP區(qū)，那些能在高溫時效溫度下穩(wěn)定存在的GP區(qū)優(yōu)先成核轉(zhuǎn)化為η′相。第二級是高溫時效，在晶內(nèi)主要形成均勻分布的盤狀相，在亞晶界上形成尺寸較大的η′相析出，在大角度晶界上發(fā)現(xiàn)更粗大質(zhì)點，顯然是較穩(wěn)定的η′相，隨著時效時間的延長，晶內(nèi)η′相粗化，晶界η′相穩(wěn)定并長大，亞晶界上PFZ明顯增寬。經(jīng)雙級時效處理，合金中的主要強化相為細小彌散的η′相。

3.4 回歸再時效

回歸再時效處理是一種特殊的時效處理工藝。它包括三個階段：第一階段在較低溫度下進行峰值預(yù)時效，晶內(nèi)是細小的η＇相和球狀GP區(qū)，晶界為連續(xù)的η相質(zhì)點，強度較高，這與峰時效狀態(tài)相同；第二階段，在較高溫度下進行短時回歸處理，晶內(nèi)的析出相經(jīng)回歸處理后又都回溶到基體內(nèi)，同時晶界上的連續(xù)鏈狀析出相在此階段已形成較穩(wěn)定的η＇和η相，在高溫下不會回溶而會發(fā)生合并和長大，不再連續(xù)，呈離散狀分布，這種晶界組織使抗應(yīng)力腐蝕性能大為改善，而晶內(nèi)強化相溶解使合金強度大大降低；第三階段，在較低溫度下再時效，晶內(nèi)固溶的η＇相將重新析出并且呈細小彌散分布，晶界仍為粗大不連續(xù)的η相?？偟膩碚f，RRA處理后合金的晶內(nèi)組織與峰時效的晶內(nèi)組織相似，為細小均勻分布的共格和半共格的強化相，但合金強度有些許下降，晶界處與過時效的晶界組織相似，為離散分布的粗大非共格析出物，并存在著晶界無沉淀析出帶。這種組織具有峰時效過時效的優(yōu)點，使合金具有很高強度和良好的抗應(yīng)力腐蝕。

4 空冷處理對鋁合金的性能影響

4.1470 ℃以下單級固溶，隨著固溶溫度的升高，粗大第二相逐漸溶解，溶質(zhì)原子的沉淀強化占主導(dǎo)地位，合金強度升高； 470℃以上單級固溶，粗大第二相減少到一定程度，再結(jié)晶百分數(shù)和亞晶尺寸迅速增大，軟化因素占主導(dǎo)地位，合金強度降低。雙級固溶基本消除粗大第二相，同時抑制了再結(jié)晶和亞晶的長大，故強度比單級固溶的最大值還高。固溶后預(yù)析出，基體中重新析出粗大第二相，無強化效果，導(dǎo)致合金強度非常低，僅與440℃單級固溶類似。

4.2 單級固溶中，隨著固溶溫度的升高，粗大第二相減少，斷裂韌性提高，但隨著溫度的進一步升高，再結(jié)晶百分數(shù)和亞晶尺寸迅速增大，沿晶斷裂比例增大，斷裂韌性降低。雙級固溶后，粗大第二相充分融入基體，再結(jié)晶和亞晶尺寸較小，斷裂韌性超過單級固溶樣品斷裂韌性的最大值。固溶后預(yù)析出，基體中析出大量第二相，雖然再結(jié)晶百分數(shù)和亞晶尺寸較小，但亞晶界析出粗大的η相，導(dǎo)致裂紋沿亞晶界傳播，斷裂韌性非常低，僅與460℃單級固溶類似。

[1] King AI, Maria,JPetalNature，2000，406：1032