空冷處理對(duì)鑄軋超高強(qiáng)鋁合金組織與性能的影響

蘇曉瞳 遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

空冷處理對(duì)鑄軋超高強(qiáng)鋁合金組織與性能的影響

蘇曉瞳 遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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

鋁及鋁合金越來(lái)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(diǎn)以及工業(yè)與工藝方面的需要，對(duì)鋁及鋁合金進(jìn)行歸類(lèi)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(diǎn)[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(guó)防科技關(guān)鍵技術(shù)及重點(diǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

1 鋁及鋁合金的特點(diǎn)

第一密度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，磁化率低。合金的密度也很小，熔點(diǎn)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(huì)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(qiáng)度高。

純鋁為面心立方晶格，無(wú)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(qiáng)度低，雖經(jīng)冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)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(guò)冷成型和熱處理，其抗拉強(qiáng)度可大大提升，相當(dāng)于低合金鋼的強(qiáng)度，比強(qiáng)度高，成為飛機(jī)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(lèi)。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(lèi)。防銹鋁包括Al-Mn，及Al-Mg，系合金，抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高于工業(yè)純鋁，同時(shí)具有良好的焊接性能，但不能熱處理強(qiáng)化。。銅是硬鋁中的主要合金元素，為了提高強(qiáng)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(qiáng)度最高的一類(lèi)。通過(guò)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(qiáng)度鋁合金具有良好的切削性能，機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性能好經(jīng)熱處理后硬度高，國(guó)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(hào)?？缮a(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(chē)活塞、受力元件、氣動(dòng)元件、五金件、摩托車(chē)配件、接頭等。

2 超高強(qiáng)鋁合金的特點(diǎn)

超高強(qiáng)度鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu系為主的可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。它具有高的比強(qiáng)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(diǎn)，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(rèn)識(shí)到，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能要求不僅是好的靜強(qiáng)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(qiáng)度。

此類(lèi)合金是隨著航空和航天發(fā)展需要而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一類(lèi)超高強(qiáng)鋁合金材料，屈服強(qiáng)度一般在500MPa以上，它具有高的比強(qiáng)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(diǎn)。超高強(qiáng)鋁合金因?yàn)樾阅軆?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(jī)制造中不可或缺的重要結(jié)構(gòu)材料，也是戰(zhàn)斗機(jī)、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(jī)事業(yè)的發(fā)展，超高強(qiáng)鋁合金的用量大大增加，對(duì)超高強(qiáng)鋁合金材料也提出了更高的要求，比如高的比強(qiáng)度、高的比剛度、高的斷裂韌性、低的裂紋擴(kuò)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(guò)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(jì)等，研發(fā)出多種使用性能較好的超高強(qiáng)鋁合金，這些合金既具有高的抗拉強(qiáng)度，又能保持較高的韌性和耐腐蝕性能。超高強(qiáng)鋁合金正成為世界各國(guó)結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。

3 超高強(qiáng)鋁合金的熱處理工藝

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

3.1 固溶熱處理

超高強(qiáng)鋁合金主要通過(guò)時(shí)效析出而強(qiáng)化，過(guò)飽和程度的提高將提高時(shí)效析出相的數(shù)量，增加強(qiáng)化效果。在現(xiàn)有合金的發(fā)展演變過(guò)程中，為保證或提高合金的強(qiáng)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(duì)合金的綜合性能產(chǎn)生不利影響。過(guò)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(duì)時(shí)效強(qiáng)化效果而言，提高固溶程度與增加合金元素含量作用是類(lèi)似的。采用雙級(jí)強(qiáng)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(qiáng)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(guò)飽和度，同時(shí)減少了粗大未溶結(jié)晶相，對(duì)于提高時(shí)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(qiáng)鋁合金綜合性能的一個(gè)有效途徑。

3.2 單級(jí)時(shí)效

單級(jí)時(shí)效是一級(jí)時(shí)效。完全時(shí)效后，晶內(nèi)析出細(xì)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(diǎn)，這種晶界組織對(duì)應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕十分敏感。完全時(shí)效后合金強(qiáng)度可達(dá)峰值(T6態(tài))，但抗應(yīng)力腐蝕性較差。

3.3 雙級(jí)時(shí)效

雙級(jí)時(shí)效的目的就是犧牲部分合金的強(qiáng)度，提高合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。雙級(jí)時(shí)效中，第一級(jí)時(shí)效為低溫預(yù)時(shí)效，相對(duì)于成核階段，形成大量的GP區(qū)，那些能在高溫時(shí)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(jí)是高溫時(shí)效，在晶內(nèi)主要形成均勻分布的盤(pán)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(diǎn)，顯然是較穩(wěn)定的η′相，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，晶內(nèi)η′相粗化，晶界η′相穩(wěn)定并長(zhǎng)大，亞晶界上PFZ明顯增寬。經(jīng)雙級(jí)時(shí)效處理，合金中的主要強(qiáng)化相為細(xì)小彌散的η′相。

3.4 回歸再時(shí)效

回歸再時(shí)效處理是一種特殊的時(shí)效處理工藝。它包括三個(gè)階段：第一階段在較低溫度下進(jìn)行峰值預(yù)時(shí)效，晶內(nèi)是細(xì)小的η＇相和球狀GP區(qū)，晶界為連續(xù)的η相質(zhì)點(diǎn)，強(qiáng)度較高，這與峰時(shí)效狀態(tài)相同；第二階段，在較高溫度下進(jìn)行短時(shí)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(shí)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(huì)回溶而會(huì)發(fā)生合并和長(zhǎng)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(qiáng)化相溶解使合金強(qiáng)度大大降低；第三階段，在較低溫度下再時(shí)效，晶內(nèi)固溶的η＇相將重新析出并且呈細(xì)小彌散分布，晶界仍為粗大不連續(xù)的η相?？偟膩?lái)說(shuō)，RRA處理后合金的晶內(nèi)組織與峰時(shí)效的晶內(nèi)組織相似，為細(xì)小均勻分布的共格和半共格的強(qiáng)化相，但合金強(qiáng)度有些許下降，晶界處與過(guò)時(shí)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(wú)沉淀析出帶。這種組織具有峰時(shí)效過(guò)時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)，使合金具有很高強(qiáng)度和良好的抗應(yīng)力腐蝕。

4 空冷處理對(duì)鋁合金的性能影響

4.1470 ℃以下單級(jí)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(qiáng)化占主導(dǎo)地位，合金強(qiáng)度升高； 470℃以上單級(jí)固溶，粗大第二相減少到一定程度，再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)和亞晶尺寸迅速增大，軟化因素占主導(dǎo)地位，合金強(qiáng)度降低。雙級(jí)固溶基本消除粗大第二相，同時(shí)抑制了再結(jié)晶和亞晶的長(zhǎng)大，故強(qiáng)度比單級(jí)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(wú)強(qiáng)化效果，導(dǎo)致合金強(qiáng)度非常低，僅與440℃單級(jí)固溶類(lèi)似。

4.2 單級(jí)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(jìn)一步升高，再結(jié)晶百分?jǐn)?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(jí)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(guò)單級(jí)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?jǐn)?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(jí)固溶類(lèi)似。

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