航空用7075鋁合金擠壓棒材粗晶環(huán)測試分析

王 宇，于桂斌，曹振華，李金龍，劉 歡

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

7xxx系鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，這類合金具有比重小、強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和民用交通工具等[1-2]，如制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼梁、機(jī)艙壁板等結(jié)構(gòu)件，是世界各國航空航天工業(yè)中不可缺少的重要材料[3-6]。隨著現(xiàn)代航空航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)7xxx系鋁合金的性能提出了更高的要求，從而促使國內(nèi)外研究工作者對(duì)7xxx系鋁合金熱處理工藝開展了更加深入的研究[7]。7075鋁合金因其具有強(qiáng)度高、抗腐蝕強(qiáng)、良好的機(jī)械性能及陽極反應(yīng)，在航空航天工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。本試驗(yàn)通過研究不同厚度粗晶環(huán)對(duì)7075鋁合金擠壓棒材電導(dǎo)率和性能的影響，旨在為提高7075鋁合金綜合性能提供參考[10]。對(duì)工藝研究和鋁合金加工技術(shù)奠定基礎(chǔ)[11]。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選用鑄錠規(guī)格為φ120 mm×470 mm的7075鋁合金圓鑄錠，其成分見表1。試驗(yàn)選用型材米重0.848 kg/m，型材低倍斷面如圖1所示。通過880 T擠壓機(jī)對(duì)7075鋁合金圓鑄錠進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓工藝見表2。生產(chǎn)工藝流程為鑄錠加熱→擠壓→淬火→拉伸矯直→成品鋸切→人工時(shí)效→驗(yàn)收→交貨[12]。

表1 7075 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 擠壓工藝參數(shù)

圖1 棒材斷面圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低倍組織

分別對(duì)7075-T6試樣進(jìn)行金相低倍組織檢驗(yàn)，試樣編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#、6#。1#、2#、3#為頭端，4#、5#、6#為尾端，具體檢驗(yàn)過程如下：

把洗削加工好的試樣放入20～35 ℃，濃度為15%～25%的NaOH溶液中，腐蝕10～15 min。將試樣取出迅速轉(zhuǎn)入流動(dòng)的清水中沖洗，然后再放入20%～30%的HNO3溶液中。酸洗15 min，除去黑色堿蝕產(chǎn)物達(dá)到清潔。將試樣取出用流動(dòng)的清水沖洗干凈，進(jìn)行觀察，其低倍組織如圖2[13]。試驗(yàn)結(jié)果如下：1#試樣粗晶環(huán)深度為5 mm，同時(shí)伴有縮尾產(chǎn)生；2#試樣粗晶環(huán)深度為2.5 mm；3#試樣粗晶環(huán)深度為2.0 mm；4#試樣粗晶環(huán)深度為1.5 mm；5#試樣粗晶環(huán)深度為1.0 mm；6#試樣無粗晶環(huán)。1#～6#試樣組織中晶粒逐漸變小，1#試樣的晶粒最粗大。通過宏觀組織檢驗(yàn)，粗晶環(huán)沿制品邊緣，形成粗大再結(jié)晶晶粒區(qū)。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小，以致完全消失。

(a)1#；(b)2#；(c)3#；(d)4#；(e)5#；(f)6#

2.2 力學(xué)性能

選取尺寸200 mm的7075合金T6合金狀態(tài)的力學(xué)性能試樣2組，一組為有粗晶環(huán)試樣，每組6個(gè)，編號(hào)分別為A1、A2、A3、A4、A5、A6，粗晶環(huán)深度依次為A1>A2>A3>A4>A5>A6。另一組無粗晶環(huán)試樣，編號(hào)分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6。使用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示?？梢钥闯?，用本工藝參數(shù)生產(chǎn)的無粗晶環(huán)制品力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)要求，有粗晶環(huán)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著粗晶環(huán)的增大而減小。由此可見，粗晶環(huán)在一定程度上降低了力學(xué)性能。

表3 有粗晶試樣力學(xué)性能的對(duì)比

表4 無粗晶試樣力學(xué)性能的對(duì)比

2.3 電導(dǎo)率

采用型號(hào)SMP-10渦流電導(dǎo)儀(60 kHz)，現(xiàn)場環(huán)境條件為20.6 ℃，分別對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行電導(dǎo)率檢測。試樣編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#、6#。粗晶環(huán)深度依次為1#>2#>3#>4#>5#>6#，1#試樣粗晶環(huán)處晶粒尺寸較大，2#和3#試樣粗晶環(huán)處晶粒尺寸相差不大，4#和5#試樣粗晶環(huán)處晶粒尺寸相差不大，6#試樣無粗晶環(huán)。檢測流程如下：開機(jī)→連接→校準(zhǔn)→測量。當(dāng)渦流電導(dǎo)儀靠近試樣時(shí)，其表面出現(xiàn)電磁渦流，由于1#試樣表面晶粒較大，晶界面比較廣泛，就會(huì)改變渦流場的強(qiáng)度及分布，使線圈阻抗發(fā)生變化。晶界的有無對(duì)電阻率的影響很大，電阻率上升，電導(dǎo)率下降。但是晶界的多少對(duì)電阻率的影響較小，電阻率下降，電導(dǎo)率上升。晶界對(duì)電阻率的影響主要在于晶界上大量存在的空位、錯(cuò)位及雜質(zhì)對(duì)電子散射的綜合效應(yīng)[14]。試驗(yàn)結(jié)果：1#～6#試樣的電導(dǎo)率分別為23.84、22.93、22.75、22.59、22.43和22.12 Ms/m。粗晶環(huán)單位面積越大，晶界越大，電阻率上升，電導(dǎo)率下降。粗晶環(huán)晶粒的數(shù)量越多，晶界越多，電阻率下降，電導(dǎo)率上升，但并不明顯。

圖3 電導(dǎo)率測試照片

3 結(jié)論

我國在設(shè)計(jì)與制造飛機(jī)方面雖然取得了突破性的進(jìn)展，但在飛機(jī)材料生產(chǎn)方面仍存在很大差距[15]。試驗(yàn)采用880 T擠壓機(jī)生產(chǎn)7075鋁合金圓鑄錠擠壓棒材，經(jīng)檢驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

1)通過宏觀組織檢驗(yàn)，粗晶環(huán)沿制品邊緣，形成粗大再結(jié)晶晶粒區(qū)。粗晶環(huán)深度從尾端向頭端逐漸減小，以致完全消失。

2)用本工藝參數(shù)生產(chǎn)的無粗晶環(huán)制品的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足客戶要求。有粗晶環(huán)試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著粗晶環(huán)的增大而減小，粗晶環(huán)在一定程度上降低了力學(xué)性能。

3)粗晶環(huán)單位面積越大，晶界越大，電阻率上升和電導(dǎo)率下降也越大。粗晶環(huán)晶粒的數(shù)量越多，晶界越多，電阻率下降和電導(dǎo)率上升有變化，但并不明顯。