基于末端淬火試驗(yàn)研究3種7000系鋁合金的淬透性

張新明，張端正，劉勝膽，李承波，鄧運(yùn)來

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基于末端淬火試驗(yàn)研究3種7000系鋁合金的淬透性

張新明1, 2，張端正1, 2，劉勝膽1, 2，李承波1, 2，鄧運(yùn)來1, 2

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410083)

通過末端淬火方法研究 7055，7050和7085 3種鋁合金厚板的淬透性，采用掃描電鏡和透射電子顯微鏡對微觀組織進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：3種合金的淬透層深度分別約45 mm，60 mm和100 mm以上，兩端的硬度分別為14%，12%和6%，3種合金的硬度與冷卻速率的對數(shù)呈線性關(guān)系，曲線斜率依次減小。7055和7050合金中Zn與Mg質(zhì)量比低(Mg含量高)，Cu含量高，導(dǎo)致淬火速率低時(shí)晶內(nèi)析出尺寸更大、數(shù)量更多的η平衡相，同時(shí)也促進(jìn)了T相和S相的析出，時(shí)效后平衡相的周圍出現(xiàn)明顯的無沉淀析出帶，導(dǎo)致硬度下降明顯，合金的淬透性大大降低。

Al-Zn-Mg-Cu合金；末端淬火；淬透性；淬火析出相

7000系鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、較好的加工性能等特點(diǎn)而廣泛用于航天、航空和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。近年來，為了減輕質(zhì)量、降低成本，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件向著大型化及整體化的方向發(fā)展，對大截面的7000系合金厚板及鍛件提出了迫切需求。但該系鋁合金存在淬火敏感性，其力學(xué)性能隨淬火速率的減小而降低[1?2]。淬火敏感性的產(chǎn)生是緩冷時(shí)平衡相在彌散粒子、晶界及亞晶界上析出[3?4]，降低合金的過飽和度、減弱時(shí)效強(qiáng)化效果造成的。因此，為了獲得最佳的時(shí)效強(qiáng)化效果，材料固溶后必須快速淬火。而隨著厚板厚度的增加，尤其是為了減小淬火殘余應(yīng)力而降低冷卻強(qiáng)度時(shí)，材料中心部分的淬火速率往往達(dá)不到所需的臨界冷卻速率，性能下降，出現(xiàn)淬不透的現(xiàn)象。因此7000系鋁合金厚截面材料的淬透性問題引起了人們廣泛的關(guān)注。影響7000系鋁合金淬火敏感性的因素也是影響其淬透性的因素，主要包括合金的化學(xué)成分、制備工藝及微觀組織[5?6]。其中，主合金元素對淬火敏感性的影響十分顯著，Zn，Mg和Cu元素含量增加通常都會提高合金的淬火敏感性[7?8]。許多學(xué)者在這方面展開了大量研究。陳慧[9]認(rèn)為Cu對淬火敏感性的影響最大，其次是Mg和Zn。Lim等[10]研究表明：降低Cu+Mg總量和提高Zn與Mg質(zhì)量比可顯著降低7175鋁合金的淬火敏感性，Zn與Mg質(zhì)量比增加可推遲固溶體的分解。Deng等[11]通過末端淬火實(shí)驗(yàn)研究了Mg含量對7085型鋁合金淬火敏感性的影響，結(jié)果表明：合金中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，1.4%和2.0%時(shí)，距離噴水端105 mm處的硬度較5 mm處分別下降了9%，15%和18%。末端淬火方法是研究時(shí)效強(qiáng)化鋁合金厚截面材料淬透性的有效途徑，伊琳娜等[12]對7B04鍛件的淬透性開展了研究；熊柏青等[13]采用末端淬火方法對7150，7B04及新型合金Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr的淬透性進(jìn)行了評價(jià)。在此，本文作者以7055，7050和7085鋁合金為對象，采用末端淬火的方法，研究合金成分與淬火析出相間的關(guān)系，探明合金成分對淬透性的影響規(guī)律和機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

研究所采用的材料是7055，7050和7085鋁合金熱軋板材，其成分如表1所示。在熱軋板上沿軋向切取長×寬×厚為125 mm×25 mm×25 mm的端淬樣品。一端車出深10 mm，直徑為20 mm的凹槽，作為噴水端，另一端鉆出深10 mm，M5 mm的螺紋孔。在SX?4?10型箱式電阻爐中加熱升溫至470 ℃，保溫1 h后，樣品轉(zhuǎn)移到末端淬火裝置[14]上并迅速向凹槽端噴水冷卻，水溫約為20 ℃，待樣品冷卻后，樣品放入120 ℃的油浴爐中時(shí)效24 h。時(shí)效后樣品從中間一分為二按維氏硬度測試的要求打磨表面，從噴淋端開始，每隔5 mm位置測一次硬度(HV)，取與中心線垂直方向上5個(gè)硬度的平均值作為淬透性曲線上該位置的硬度，獲得硬度與距離的關(guān)系曲線。

表1 3種合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

另取一樣品在距噴淋端3，23，53，78和98 mm處鉆出直徑為3 mm小孔預(yù)埋熱電偶，測得這5個(gè)位置的冷卻曲線。由于7055合金的淬火敏感性最大，其淬火敏感區(qū)間也最大，因此在230~420 ℃[15]溫度區(qū)間計(jì)算出平均冷卻速率，分別為20.83，10.50，2.73，2.30和2.25 ℃/s。

在試樣不同位置截取樣品進(jìn)行微組織分析，樣品經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后在到FEI Quanta?200掃描電鏡上進(jìn)行顯微組織觀察和能譜分析。透射電鏡分析在荷蘭FEI產(chǎn)的TECNAIG220型TEM電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200 kV。透射電鏡觀察的樣品先磨成厚度為0.08 mm薄片，沖成直徑為3 mm圓片后進(jìn)行雙噴減薄。電解液為20%HNO3+80%CH3OH(體積分?jǐn)?shù))，溫度控制在?20 ℃以下。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 淬透性曲線

圖1所示為3種合金的淬透性曲線。由圖1(a)可見：3條曲線的趨勢基本一致，硬度隨距淬火端距離的增加而降低。7055合金和7050合金的硬度較高，硬度隨端距的增加而快速下降，而后硬度變化不大。7085合金的曲線在最下方且硬度下降較緩慢。當(dāng)端距超過80 mm，硬度隨距離的增加變化不大。為了研究不同合金的硬度變化情況，通過不同合金的淬透性曲線，算出3種合金的硬度下降程度，如圖1(b)所示。由圖1(b)可見：7055合金在63 mm處的硬度下降比例為14%且以后基本不變；7050合金在68 mm處的硬度下降比例為12%且以后基本不變；7085合金距離噴水端98 mm處的硬度比3 mm處的硬度下降約6%。若規(guī)定硬度下降10%處的端距為淬透層深度，則7055，7050和7085合金的淬透層深度分別為45 mm，60 mm和100 mm以上。顯然，7055合金的淬透性最差，而7085合金具有很好的淬透性。

(a) 硬度與淬火端距離的關(guān)系；(b) 硬度保留值與淬火端距離的關(guān)系

圖2所示為3種合金時(shí)效后的硬度與冷卻速率間的關(guān)系。從圖2可以看出：3種合金的硬度與冷卻速率的對數(shù)近似呈線性關(guān)系，隨冷卻速率的減小，硬度不斷減小。7085合金曲線的斜率最??；7055合金曲線的斜率最大，約是前者的2.5倍；7050合金曲線的斜率居中。這說明隨冷卻速率的減小，7085合金的硬度下降最小，7050合金的次之，7055合金的最大。因此，7055合金的淬透性最差。對這3條曲線進(jìn)行線性擬合，其線性相關(guān)系數(shù)分別為0.998 9，0.988 4和0.991 3，因此，硬度()與冷卻速率(R)的對數(shù)有較好的線性關(guān)系。7055，7050和7085合金的擬合結(jié)果分別為：

圖2 3種合金的硬度與冷卻速率的關(guān)系

2.2 顯微組織

圖3所示為3種合金的掃描照片。從圖3可以看出：在冷卻速率很大時(shí)，除了存在一些白色的初生相外，觀察不到平衡相的析出。在冷卻速率很小時(shí)，7055合金沿軋向有明顯的白色析出帶，經(jīng)能譜分析，該相是MgZn2相，同時(shí)晶內(nèi)也能觀察到大量的析出；而對于7050合金，冷卻速率低時(shí)，晶界及晶內(nèi)能看到一些析出相，晶界的析出較為明顯，但晶內(nèi)的析出沒有7055合金那么明顯；而對于7085合金，晶內(nèi)的析出相不明顯，晶界處的析出也較少。這說明冷卻速率低時(shí)，7085合金析出相最少，7050合金次之，7055合金析出相最多。

(a) 7055合金，20.83 ℃/s；(b) 7055合金，2.30 ℃/s；(c) 7050合金，2.30 ℃/s；(d) 7085合金，2.30 ℃/s

圖4所示為3種合金的TEM照片。從圖4可見：冷卻速率高時(shí)，淬火過程中平衡相的析出被抑制，所以7055合金晶內(nèi)幾乎觀察不到粗大平衡相的存在，如圖4(a)所示。而當(dāng)冷卻速率很低時(shí)，7055合金晶內(nèi)有大量平衡相析出，形狀為板條狀，尺寸很大且不均勻，最大的可達(dá)1 μm，析出相之間沒有位相關(guān)系，如圖4(b)所示。在7055鋁合金晶內(nèi)除了可以觀察到大量平衡η相外，還能看到一些六邊形的析出相，其平均粒徑約為174 nm，其周圍的時(shí)效析出相明顯減少，據(jù)文獻(xiàn)[16]報(bào)道該相應(yīng)該是T相，如圖4(c)所示。在7055鋁合金晶內(nèi)還能觀察到一些針狀相，其最大粒徑可達(dá)500 nm，在其周圍存在明顯的無沉淀析出帶，據(jù)文 獻(xiàn)[17?18]報(bào)道該相應(yīng)該是S相，如圖4(d)所示。冷卻速率很低時(shí)，7050合金晶內(nèi)也析出了大量的板條狀的平衡η相，并且部分平衡η相是以Al3Zr粒子作為形核核心。在這些平衡相的周圍，時(shí)效析出相很少，遠(yuǎn)離平衡相的位置能觀察到明顯的時(shí)效析出相。同時(shí)還能觀察到少量的T相，如圖4(e)所示。對于7085合金，在冷卻速率很低時(shí)，晶內(nèi)析出的平衡η相較少，粒徑較小，約為52 nm，未觀察到T相和S相的析出，如圖4(f)所示。

(a) 7055合金，20.83 ℃/s；(b), (c), (d) 7055合金，2.30 ℃/s；(e) 7050合金，2.30 ℃/s；(f) 7085合金，2.30 ℃/s

3 分析與討論

表2所示為冷卻速率在2.30 ℃/s時(shí)，3種合金晶內(nèi)η相的尺寸和含量。從表2可以看出：7055合金析出相的尺寸及含量最大，7050合金次之，7085合金最小。7055合金η相的平均尺寸為590 nm，其面積分?jǐn)?shù)約為30%；與7050合金相比，其尺寸和面積分?jǐn)?shù)分別約為7050合金的2.6倍和1.7倍；與7085合金相比，其尺寸和面積分?jǐn)?shù)分別約為7085合金的11倍和6倍。這說明7055合金，在冷卻速率低時(shí)，析出的平衡η相尺寸較大且含量多，因此，其淬透性較差。而7085合金的淬透性較好。

表2 冷卻速率為2.30 ℃/s時(shí)3種合金晶內(nèi)η相的粒徑和含量

Table 2 Size and area fraction of η phases within grains for three alloys cooled at cooling rate of 2.30 ℃/s

注：Δ=(3?98)/3×100%，Δ為硬度下降比例；3和98分別為距離噴水端3 mm和98 mm處硬度。

據(jù)透射電鏡觀察結(jié)果顯示，7000系鋁合金慢速率淬火過程中析出相為大量的η相和少量的T相和S相。這些淬火析出相在Godard等[18]對AA7010鋁合金的淬火研究中也有報(bào)道，根據(jù)合金元素組成和合金固溶后微觀組成的不同發(fā)現(xiàn)：Zn+Mg+Cu 含量的增加導(dǎo)致合金晶內(nèi)粗大η平衡相的尺寸和數(shù)量均顯著增加。同時(shí)，在Zn與Mg質(zhì)量比較小的合金中的過剩的Mg原子容易促使慢速淬火時(shí)粗大相的析出。Mg含量的提高增加了慢速淬火過程中η相的析出，同時(shí)也促進(jìn)了T相的析出，更多地消耗了過飽和固溶體中的Zn和Mg溶質(zhì)原子。Cu 含量的增加導(dǎo)致Zn和Mg元素的固溶度下降，慢速淬火時(shí)非均勻平衡相的析出趨勢增加，當(dāng)Cu含量增加到一定數(shù)值時(shí)，還會導(dǎo)致晶內(nèi)S相的析出，特別是當(dāng)Mg和Cu 含量增加到一定數(shù)值時(shí)，晶內(nèi)析出了更多的η平衡相，這也與陳慧等[9?10]的研究結(jié)果相符合，使得合金的時(shí)效硬度降低明顯，因此合金的淬火敏感性大大增加，淬透性降低。

慢速率淬火過程中，合金中析出尺寸較大的第二相粒子，無論是η相，T相還是 S 相都將消耗大量時(shí)效強(qiáng)化過程中的重要元素 Zn和Mg，導(dǎo)致析出相周圍形成為貧溶質(zhì)原子區(qū)域，這些粗大平衡相比較穩(wěn)定，在時(shí)效時(shí)會吸收周圍的溶質(zhì)原子繼續(xù)長大，并在其周圍形成無沉淀析出帶，典型結(jié)果如圖4(c)~4(f)所示。和基體相比，這些無沉淀析出帶更軟[2]。因此，當(dāng)合金中存在大量無沉淀析出區(qū)時(shí)，不僅降低合金的力學(xué)性能，也會造成合金淬透性的惡化。

4 結(jié)論

1) 7055，7050和7085 3種合金的淬透層深度分別為45 mm，60 mm和100 mm以上，距離噴水端98 mm處硬度比3 mm處的分別下降14%，12%和6%，3種合金的硬度與冷卻速率的對數(shù)呈線性關(guān)系，曲線斜率依次減小。

2) 7055和7050合金的Zn與Mg質(zhì)量比低(Mg含量高)，Cu含量高，導(dǎo)致淬火速率低時(shí)晶內(nèi)析出尺寸更大數(shù)量更多的η平衡相，同時(shí)也促進(jìn)了T相和S相的析出，時(shí)效后平衡相的周圍出現(xiàn)了明顯的無沉淀析出帶，導(dǎo)致硬度下降明顯，合金的淬透性大大降低。

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Hardenability of three 7000 series aluminum alloys based on Jominy end quench test

ZHANG Xinming1, 2, ZHANG Duanzheng1, 2, LIU Shengdan1, 2, LI Chengbo1, 2, DENG Yunlai1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education, Changsha 410083, China)

The hardenability of 7055, 7050 and 7085 aluminum alloy thick plates was studied by end quenching test. The microstructure was investigated by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results show that the hardened depths of the three plates are 45 mm, 60 mm and 100 mm, the hardness differences of the three alloys are 14%，12% and 6% respectively from spray end to the other one. There exists a linear relationship between hardness and the logarithm of cooling rate and the slopes of curves decrease in sequence. The low mass ratio of Zn to Mg (high Mg content) and high Cu content of 7055 and 7050 alloys result in more equilibrium η phases with larger size precipitation during slow cooling rate, and accelerate the precipitation of T phases and S phases. After aging, obvious precipitation free zone (PFZ) is observed around the equilibrium phases, causing hardness decreased distinctly and hardenability reduced greatly.

Al-Zn-Mg-Cu alloy; end quenching; hardenability; precipitation

TG146.21

A

1672?7207(2015)02?0421?06

2014?03?26；

2014?07?17

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB619500)(Project (2012CB619500) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program))

張新明，教授，博士生導(dǎo)師，從事材料科學(xué)與工程研究；E-mail：zhang_cn@yahoo.cn

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.007

(編輯 趙俊)