Si、Cr元素的添加對7050鋁合金組織與性能的影響*

農(nóng)語婷，石麗仙，祝金明

(廣西民族大學(xué) 理學(xué)院，廣西 南寧 530006)

Si、Cr元素的添加對7050鋁合金組織與性能的影響*

農(nóng)語婷，石麗仙，祝金明

(廣西民族大學(xué) 理學(xué)院，廣西 南寧 530006)

通過控制變量法來改變7050鋁合金中Si、Cr元素的含量，探究不同含量的Si、Cr元素對鑄造超強度鋁合金的組織和性能的影響.結(jié)果表明，隨著Cr元素含量的增加，合金的抗拉強度提高，達到了262.10 MPa.隨著Cr、Si元素的增多，合金的硬度增加，最高達到了79.90 HRB.Cr和Si元素的添加，合金的伸長率從最高的16.60%下降到4.69%.

7050鋁合金；Si/Cr元素；超高強度；力學(xué)性能；微觀組織

0 引言

超高強Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金(7XXX系鋁合金)是一種在Al-Zn-Mg系鋁合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合力學(xué)性能更加優(yōu)越的超硬鋁，它的各方面的性能研究都是以Al-Zn-Mg系合金作為基礎(chǔ)進行的.自從1939年7XXX系超硬鋁合金ESD問世以來，許多國家都對7XXX系鋁合金進行了大量的研究,如今已經(jīng)開發(fā)出了幾十個牌號的7XXX系鋁合金.而且經(jīng)過幾十年的發(fā)展，7XXX系列的鋁合金也廣泛應(yīng)用于航空的各種高強度結(jié)構(gòu)零件.現(xiàn)在7XXX系鋁合金已經(jīng)成為世界各國航空領(lǐng)域不可缺少的材料之一.再者，7XXX系超高強鋁合金作為一種綜合力學(xué)性能優(yōu)越的材料，除了在軍用方面用途廣泛外，在民用方面的使用也是極為廣泛的，比如各種民用輪船、汽車、橋梁等等都有采用.從另一方面來說，一個國家鋁工業(yè)的整體水平是由這個國家超高強鋁合金的生產(chǎn)能力的高低決定的.

Cr元素在7XXX系鋁合金中形成 (CrFe)Al7相，能有效阻止合金再結(jié)晶的形核和長大，故能細化晶粒并保證在熱處理和熱加工后保持部分再結(jié)晶，使合金的強度相應(yīng)提高，并且使其抗應(yīng)力腐蝕性得到提高.[1]在7XXX系合金中硅元素通常是作為雜質(zhì)存在的，其在合金中與其他合金元素形成粗大的不溶相AlFeMnSi，使合金的力學(xué)性能變差.7050鋁合金屬于7XXX系超硬鋁合金，是可經(jīng)過熱處理強化的超高強度鋁合金，具有比較高的比強度、較好的斷裂韌性，以及優(yōu)越的抗應(yīng)力腐蝕性能等優(yōu)點.同時其高溫條件下具有的良好塑性成形性能，是其成為現(xiàn)代航空航天及交通運輸中常用的主要結(jié)構(gòu)材料.[2]筆者在7050鋁合金的基礎(chǔ)上同時添加不同含量Si和Cr元素，研究在Si和Cr元素的添加對7050鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響.

1 實驗方法

1.1 合金成分設(shè)計

研究所用金屬原材料：Zn≥99.5 wt.%，Mg≥99.9 wt.%，Cu≥99.99 wt.%，Zr≥99.5 wt.% ，F(xiàn)e ≥99.5 wt.%，Si ≥99 wt.%，Ti ≥99.9 wt.%，Cr≥99.9 wt.%，Mn≥99.9 wt.%，Al≥99.7 wt.%.實驗每組總爐料的總質(zhì)量為1000 g，實驗制備的合金所含元素質(zhì)量和元素?zé)龘p率如表1所示.

表1 合金各組元素質(zhì)量(g)及元素?zé)龘p率(wt.%)

1.2 原材料處理

將金屬原材料去除金屬表面的銹蝕、氧化皮、油脂、沙子等污物雜物.然后把清潔干凈的材料烘干后放入坩堝中，金屬鎂在放入坩堝前使用稀鹽酸清理表面氧化層，烘干后用鋁箔包好，等到鋁錠全部熔融完后再放入坩堝中.

1.3 合金熔煉及澆注

新坩堝在使用之前要進行預(yù)熱，先在75℃～100℃緩慢升溫，2小時后坩堝預(yù)熱至150℃～200℃并保溫一小時，之后升溫到350℃保溫一小時.預(yù)熱好坩堝后，先將預(yù)熱好的Al塊放入坩堝內(nèi)，把爐子溫度調(diào)到660 ℃～780 ℃范圍內(nèi).然后等待Al差不多全部融化后加入Zn和Cu等其他金屬，最后加入鎂，之后等全部熔融后，用勺子攪拌，使各合金元素混合均勻，在730 ℃左右靜置10分鐘.然后去除坩堝里面的金屬液體表面浮渣.模具的預(yù)熱溫度為230 ℃.

1.4 均勻化退火與固溶處理

將合金鑄件放入箱式電阻爐中進行均勻化退火，保溫溫度為430 ℃，保溫時間24 h，然后取出樣品進行水冷，轉(zhuǎn)移時間不超過10 s.[3]固溶時效工藝為：[4]

476 ℃×60 min(淬水)+120 ℃×24 h(空冷)+180 ℃×0.5 h(空冷)+120 ℃×24 h(空冷)

1.5 力學(xué)性能測試

合金的壓縮、拉伸和硬度試樣通過數(shù)控電火花線切割機制備，試樣的形狀如圖1所示.為避免由電火花加工在試樣表面形成的加工表面影響試驗結(jié)果，試樣表面經(jīng)砂紙打磨，然后拋光處理.為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個合金每種試驗至少包含5個試樣.

1.6 金相制備

按3.0%HNO3+ 1.0%HF+ 95%H2O配成腐蝕劑，腐蝕時間為10 s，腐蝕完畢，用無水乙醇進行沖洗，用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察金相組織.

圖1 (a)壓縮試樣，(b)拉伸試樣，(c)硬度試樣

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 氧化、夾渣、氣孔與縮孔

在制備實驗樣品的過程中，澆注所得的鑄錠在表面出現(xiàn)了氧化夾渣和氣孔.因攪拌不均勻和扒渣不干凈，鋁液進入鑄模時產(chǎn)生噴濺,形成氣泡被包裹在鑄件內(nèi)部，使金屬發(fā)生氧化,形成氧化夾渣；當(dāng)鋁液中有大量體積小的氫氣時，則會形成不規(guī)則小孔洞.[5]在液態(tài)金屬的冷卻凝固過程中，出現(xiàn)液態(tài)收縮和凝固收縮的情況，在鑄件的最終凝固的部位，會形成一些凹形空洞.根據(jù)這些空洞的尺寸和位置分布分類，可以分為縮孔和縮松兩種類型.[6]由于鋁合金液溫度和澆注溫度偏高、冷卻速度緩慢、收縮量大,導(dǎo)致晶粒粗大、組織縮松、力學(xué)性能低劣,容易形成廢品.[5]

防止措施：制訂合理的工藝，精心操作，澆注時鋁液流速應(yīng)平衡緩和，減少沖擊力，宜采用蛇形澆口和底注式澆注系統(tǒng).嚴(yán)格檢查爐料清潔度，確定合理的熔化溫度和澆注溫度.進行精煉除氣，合理設(shè)計冒口尺寸，涂料不宜過薄或過厚，確保鑄件收縮補給量，鑄件設(shè)計盡量對稱，厚薄懸殊不宜過大.

2.2 力學(xué)性能

Al-Zn-Mg-Cu系超高強度合金是力學(xué)性能很好的合金，強度很高，同時具有良好的耐腐蝕性，而它的缺點是塑性較低.拉伸斷口樣貌如圖2所示，拉伸試驗的數(shù)據(jù)處理如圖3所示，壓縮試驗的數(shù)據(jù)處理如圖4所示，對合金洛氏硬度和合金的拉、壓縮實驗結(jié)果進行分析，合金的力學(xué)性能測試結(jié)果見表2.

圖2 拉伸試樣斷口形貌

圖3 合金試樣拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 合金試樣壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 合金的力學(xué)性能

Tab.2 Alloy mechanical properties

合金抗拉強度(MPa)抗壓強度(MPa)平均硬度(HRB)伸長率(%)1號134.60721.9067.8016.602號217.50628.9069.904.723號262.10388.5079.904.694號260.40349.9071.606.805號207.30337.8074.205.38

從圖2所示的試樣斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，試樣在彈性階段斷裂的原因是合金中有夾渣物，合金在熔煉時除渣不干凈.

從圖3所示的合金試樣拉伸程應(yīng)力—應(yīng)變曲線來看，1號合金具有完整的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，整個拉伸過程中的變形可分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和局部塑性變形階段.出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，即明顯的縮頸現(xiàn)象.1號的塑性最好，但是抗拉強度最低，3號和4號合金的抗拉強度是最大的，2號、3號、4號和5號合金在彈性階段即發(fā)生斷裂.從圖3可以看出，隨著Cr含量的增加，1號、2號、3號合金的抗拉強度也隨之增加；隨著Si含量的增加，1號、4號、5號合金的抗拉強度先升高后降低.

從圖4壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線來看，5個合金材料的抗壓性能都很好，達到了超高強合金的抗壓強度.在抗壓強度方面1號合金是最高的，2號合金次之，4號和5號合金的抗壓強度比較接近.

由表2洛氏硬度測試結(jié)果可知，3號合金的硬度值最高，而4號合金次之，最差的是1號合金，因此可知3號合金的硬度是5個合金中硬度最高的.

綜合圖3、圖4和表2可以看出在這5個不同成分的鋁合金中，綜合力學(xué)性能最優(yōu)越的是3號合金.

2.3 微觀組織結(jié)構(gòu)

圖5是合金的XRD衍射圖譜，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)圖譜中只有Al衍射峰存在，并沒有觀察到其他相衍射峰，說明Zn、Mg和Cu元素在熔煉過程中的燒損量較大，只有少量合金元素熔入鋁液中.圖6是合金的XRD衍射圖譜的局部放大圖，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著微量元素Cr和Si的添加，衍射峰向左偏移.根據(jù)布拉格衍射定理計算得出各合金的晶格常數(shù)，如表3所示.隨著Cr和Si元素的添加，使得合金的晶格畸變加劇，晶格常數(shù)變大，衍射峰向左偏移；合金內(nèi)部的顯微應(yīng)力增加，阻礙位錯的滑移變形，合金的強度和硬度得到提高.

圖5 合金的XRD衍射圖譜

圖6 合金XRD衍射圖譜局部放大圖

表3 合金的晶格常數(shù)

Tab.3 Alloy lattice parameter

試樣1號2號3號4號5號a/b/c4.04244.04544.04384.04574.0427

圖7是合金的金相顯微組織圖，圖7(a)、(b)中主要是由基體相和粒狀黑色相組成；在圖7(c)、(d)和(e)中，主要是由基體相(β相)、分布均勻的樹枝狀α相、鑲嵌于基體中的顆粒狀γ相組成.從圖7中(a)、(b)、(c)分析得出，Cr元素的含量增加，α相不斷地長大，生成樹枝狀偏析帶.結(jié)合表1得出，Cr元素的含量增加，枝晶間連成長條狀.由圖2可見，3號斷口平直，是典型的脆性斷裂，結(jié)合表2得出，Cr含量增加，合金的脆性增加.鋁合金澆鑄冷卻時，合金液中雜質(zhì)在枝晶間聚集，影響合金性能，可以通過熱處理或者添加微量元素使成分均勻化，晶界均勻分布.Cr元素的含量增加，α相分布均勻，α相是含Al、Mg、Cr、Zn、Cu的富Cu相，[7-8]經(jīng)顯微硬度測量，該相脆而硬，起到析出強化的作用.增加Cr元素的含量，提高了合金的抗拉強度，合金的硬度增加，但合金的塑性卻降低了.合金析出了分布均勻的顆粒狀γ相，起到了第二相粒子強化的作用，提高了合金的抗拉性能.

結(jié)合圖7(b)、(d)分析得出，Si元素的含量增加，合金開始出現(xiàn)分布均勻的樹枝狀α相，合金的塑性增加；粒狀γ相長大，合金的硬度有所加強.圖7(d)中α相比圖7(e)中的短粗，基體組織占的比例大，4號合金的塑性比5號合金的塑性好.圖7(e)中α相比圖7(d)的分布增多，成分偏析嚴(yán)重，合金的組織較為疏松，導(dǎo)致合金的抗拉強度和抗壓強度下降.結(jié)合表2分析得出，5號合金的抗拉強度和抗壓強度比4號合金的分別下降了25.6%和3.6%，合金的塑性下降了1.42%.說明在鋁合金中添加Si元素，能改善合金的塑性和抗拉、抗壓性能，但Si含量不宜過多.

圖7 合金金相顯微組織

3 結(jié)論

1)在7050合金中加入 Cr元素可以提高合金硬度.隨著Cr元素的增多，合金的微觀組織發(fā)生了明顯的變化，晶界長大伸長，分布均勻，枝晶間距縮?。晃龀隽祟w粒狀γ相，形成第二相粒子強化，3號合金硬度、抗拉強度等綜合力學(xué)性能最優(yōu)，抗拉強度達到了262.10 MPa，最高硬度提高到79.90 HRB.隨著Cr元素含量的增加，合金組織中樹枝晶長大，析出二相粒子，合金的塑性下降，抗壓強度也呈下降趨勢.

2)隨著Si含量增多，合金的抗拉強度增加，但抗壓強度卻下降；隨著Si元素的含量增加合金的硬度有一定程度的提高，但Si的含量超過3.225 wt%后合金的抗拉強度呈下降趨勢.

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[責(zé)任編輯 蘇 琴]

[責(zé)任校對 黃祖賓]

The Effect of Si and Cr Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of 7050 Aluminum Alloy

NONG Yu-ting, SHI Li-xian, ZHU Jin-ming

(CollegeofScience,GuangxiUniversityofNationalities,Nanning530006,China)

This paper is mainly to study the influence of the different content of Si and Cr elements on the microstructure and mechanical properties of the casting of super strength aluminum alloys, using the control variable method to change the content of Si and Cr elements in 7050 aluminum alloy. Results show that with the increase of Cr element, tensile strength of the alloy reached 262.10 MPa greatly. Addition of Si and Cr elements, the hardness of the alloy enhanced, the highest reached 79.90 HRB. Meanwhile, alloy elongation decreased from the highest of 16.60% to 4.69%.

7050 aluminum alloy; Si/Cr element; Ultra high strength; Mechanical properties; Microstructure

2016-07-12.

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目(微量稀土元素的添加對AL-Zn合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的影響)、(不同退火溫度對高熵合金AlCoCrFeNi的影響和AlCoCrCuNi合金的微觀組織及其力學(xué)性能研究).

農(nóng)語婷(1993-)，女，廣西民族大學(xué)理學(xué)院學(xué)生. 通信作者：祝金明(1981-)，男，廣西梧州人，博士，廣西民族大學(xué)理學(xué)院副教授，研究方向：合金相圖.

TG146.21

A

1673-8462(2016)04-0085-05