高蕾 崔明亮 楊希 王博 宋琦

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

收稿日期：2021-07-29

7050鋁合金屬于7系鋁合金，主要合金元素為Al-Zn-Mg-Cu，具有較高的比強(qiáng)度和較好的耐應(yīng)力腐蝕性能，而且熱穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)的機(jī)身、翼梁和框梁鍛件。隨著鍛件尺寸不斷增加和鍛件性能要求不斷提高，為了使7050鋁合金鍛件獲得更好的強(qiáng)度、韌性和耐應(yīng)力腐蝕性能的匹配性，需研究電磁攪拌冶煉的鑄錠經(jīng)改鍛后的自由鍛件熱處理制度。

現(xiàn)階段關(guān)于7050鋁合金擠壓帶板[1-3]和厚板的熱處理工藝研究較多，但是關(guān)于大型鋁合金自由鍛件和模鍛件的熱處理工藝研究較少。7050鋁合金主要通過不同的時(shí)效工藝獲得不同的強(qiáng)韌性匹配，從而滿足生產(chǎn)需求。本文采用電磁攪拌技術(shù)熔煉的鑄錠，經(jīng)改鍛成自由鍛件，經(jīng)過不同T74過時(shí)效熱處理工藝，獲得室溫拉伸、斷裂韌性和電導(dǎo)率關(guān)系，為后續(xù)7050鋁合金模鍛件T7452熱處理工藝提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為電磁攪拌技術(shù)熔煉生產(chǎn)的?600 mm×1800 mm規(guī)格的7050鋁合金鑄錠經(jīng)改鍛而成的自由鍛件，自由鍛件規(guī)格為2200 mm×1400 mm×160 mm(對應(yīng)方向L×LT×ST)，后續(xù)將自由鍛件模鍛成模鍛件。從自由鍛件上切取5塊210 mm×120 mm×160 mm的試塊用于工藝試驗(yàn)。材料化學(xué)成分如表1所示，5塊試塊編號1#～5#的固溶熱處理均采用474℃/8.5 h水冷，時(shí)效采用不同的時(shí)效工藝，時(shí)效工藝試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)用7050鋁合金自由鍛件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy free forgings for test(mass fraction,%)

表2 時(shí)效工藝試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme of aging process

試塊熱處理后切取?10 mm×50 mm規(guī)格的室溫拉伸試樣、B=30 mm規(guī)格的斷裂韌性試樣和高倍試樣，取樣位置均取自ST方向厚度中心，與鍛件檢測位置保持一致，并在試塊表面檢測電導(dǎo)率。采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)UTM5305進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)INSTRON8803進(jìn)行斷裂韌性檢測，采用金相顯微鏡OLYMPUS進(jìn)行高倍檢測，采用電導(dǎo)率測試儀SIGMATEST2.069進(jìn)行電導(dǎo)率檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 室溫拉伸和斷裂韌性

圖1和圖2為不同一級時(shí)效時(shí)間的室溫拉伸和斷裂韌性圖，從圖中可以看出隨著一級時(shí)效時(shí)間段延長，強(qiáng)度基本相同，斷后伸長率降低約1%，斷裂韌性升高約2 MPa·m1/2。整體來看，一級時(shí)效時(shí)間從6 h延長至9 h，強(qiáng)度和斷裂韌性變化均不明顯。一級時(shí)效主要發(fā)生GP區(qū)析出和轉(zhuǎn)化為η′，6 h后其析出和轉(zhuǎn)化過程緩慢，因此，性能變化較小[4]。

圖1 不同一級時(shí)效時(shí)間的室溫拉伸檢測結(jié)果Figure 1 Tensile test results at room temperaturewith different primary aging time

圖2 不同一級時(shí)效時(shí)間的斷裂韌性檢測結(jié)果Figure 2 Fracture toughness test resultswith different primary aging time

圖3和圖4為不同二級時(shí)效時(shí)間的室溫拉伸和斷裂韌性圖，從圖中可以看出隨著二級時(shí)效時(shí)間的延長，強(qiáng)度逐漸降低，斷后伸長率和斷裂韌性逐漸升高。二級時(shí)效8～9 h，變化趨勢非常明顯，抗拉強(qiáng)度Rm降低約8 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2降低約17 MPa，斷后伸長率A升高約3%，斷裂韌性升高約4 MPa·m1/2。隨著二級時(shí)效時(shí)間的延長，η′相向η相轉(zhuǎn)變，晶內(nèi)析出相和晶界析出相都明顯長大，從而使強(qiáng)度降低，斷后伸長率和斷裂韌性升高[3]。

鍛件標(biāo)準(zhǔn)中要求Rm≥490 MPa，Rp0.2≥420 MPa，A≥6%，KIC≥27.5 MPa·m1/2，綜合考慮性能指標(biāo)，選擇一級時(shí)效時(shí)間為6 h，二級時(shí)效時(shí)間為8 h，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且富裕度較大。

圖3 不同二級時(shí)效時(shí)間的室溫拉伸檢測結(jié)果Figure 3 Tensile test results at room temperaturewith different secondary aging time

圖4 不同二級時(shí)效時(shí)間的斷裂性能檢測結(jié)果Figure 4 Fracture toughness test resultswith different secondary aging time

2.2 電導(dǎo)率

編號1#～5#試塊的表面電導(dǎo)率如圖5所示，一級時(shí)效時(shí)間為6～8 h(編號3#、4#、5#)時(shí)，電導(dǎo)率基本相同，二級時(shí)效時(shí)間為7～9 h(編號1#、2#、3#)時(shí)，電導(dǎo)率從39.7%IACS升高至40.3%IACS，這與強(qiáng)度變化趨勢相反，與斷裂韌性變化趨勢相同。電導(dǎo)率要求不低于38%IACS，若大于40%IACS的鍛件則不用檢測應(yīng)力腐蝕性能，表示鍛件具有較好的耐應(yīng)力腐蝕能力?？梢钥闯?個(gè)試塊均滿足要求，但二級時(shí)效7 h時(shí)的電導(dǎo)率為39.7%IACS。

圖5 試塊電導(dǎo)率Figure 5 Electrical conductivity of samples

2.3 高倍組織

圖6為不同二級時(shí)效時(shí)間的高倍組織，可看出高倍組織形態(tài)、分布、大小基本相同。均發(fā)生了再結(jié)晶，存在大晶粒和亞晶，并且晶界處存在粗大第二相。二級時(shí)效時(shí)間9 h時(shí)晶粒長大較明顯，二級時(shí)效時(shí)間為6 h時(shí)的亞晶較多。若要觀察析出相的變化，則需要通過掃描和透射電鏡進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(a)177℃/7h

3 結(jié)論

(1)一級時(shí)效121℃保溫6～8 h對鍛件性能和電導(dǎo)率無明顯影響。

(2)二級時(shí)效177℃保溫7～9 h，隨著時(shí)間的增加，強(qiáng)度逐漸降低，斷后伸長率和斷裂韌性逐漸升高。保溫8 h為一個(gè)拐點(diǎn)處，二級時(shí)效從7 h增加到8 h時(shí)的性能和電導(dǎo)率變化不明顯，二級時(shí)效由8 h增加至9 h變化趨勢明顯，抗拉強(qiáng)度Rm降低約8 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2降低約17 MPa，斷后伸長率A升高約3%，斷裂韌性升高約4 MPa·m1/2，電導(dǎo)率升高約0.5%IACS。因此，選擇一級時(shí)效121℃保溫6 h，二級時(shí)效177℃保溫8 h的雙級時(shí)效熱處理制度，能夠獲得較好的性能匹配和電導(dǎo)率結(jié)果。