基于JMatPro軟件對7050鋁合金析出相的熱力學(xué)模擬計(jì)算

藺虹賓，何躍斌，蔣 輝，李 麗，王新穎，苗景國

（1.四川省航空材料檢測與模鍛工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川德陽 618000；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000）

7050鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，是目前用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的工業(yè)用強(qiáng)度最高的鋁合金，由于其綜合性能優(yōu)異，在航空航天領(lǐng)域用材料中占有主導(dǎo)地位[1-3]。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，鋁合金以減輕結(jié)構(gòu)，提高可靠性和延長壽命為目標(biāo)，主攻高強(qiáng)、高韌和耐腐蝕耐疲勞等綜合性能使之符合極端服役環(huán)境，這就需要通過精密熱處理工藝精確調(diào)控微觀組織[4-5]。筆者利用JMatPro軟件對7050鋁合金的平衡相組成、TTT、CCT及沉淀相進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，為制定熱處理工藝和調(diào)整析出沉淀相的組態(tài)提供理論依據(jù)。

1 材料及研究方法

研究材料為7050鋁合金軋制板材，板材厚度為75mm，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分如表1所示。

JMatPro軟件是一款功能強(qiáng)大的金屬材料相圖和性能計(jì)算軟件，以熱力學(xué)模型、熱力學(xué)數(shù)據(jù)為計(jì)算基礎(chǔ)，對所有的物理模型的建立都經(jīng)過了廣泛的驗(yàn)證[6]，已有研究結(jié)果表明[7]，JMatPro軟件對6063和7003鋁合金模擬計(jì)算所得的TTT和CCT曲線與試驗(yàn)獲得曲線相吻合。本研究采用JMatPro軟件鋁合金模塊對7050鋁合金析出相進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，合金的成分選擇各合金組元的平均百分含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱力學(xué)平衡相

通過熱力學(xué)計(jì)算，得到7050鋁合金的平衡相轉(zhuǎn)變過程圖，如圖1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，7050鋁合金的液相線溫度為633℃，在該溫度下，析出α（Al）固溶體相，合金的固相線溫度為510℃。在596℃時(shí)，析出Al3Fe相，其在550℃時(shí)析出量達(dá)到最大值，為0.33%，隨后與液相發(fā)生包晶反應(yīng)生成α（Al）固溶體相，在固相線溫度處完全消失。在凝固末期520℃時(shí)，開始析出Mg2Si相。隨后合金發(fā)生固態(tài)相變，依次從α（Al）固溶體中析出Al6Mn相、S （Al2CuMg） 相、E （AlCrMgMn） 相和 η（MgZn2）相，它們的析出溫度分別為508℃、468℃、457℃和405℃。合金在室溫下的平衡相組成 為 86.5% α （Al）、8.87% η （MgZn2）、3.02% S（Al2CuMg）、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和 0.26%E（AlCrMgMn）。

圖1 7050鋁合金平衡相轉(zhuǎn)變量與溫度關(guān)系

2.2 合金的TTT和CCT曲線

圖2為7050鋁合金的TTT圖，從圖中可以看出合金的TTT曲線整體呈“C”形。合金中GP區(qū)、η′亞穩(wěn)相和η相的鼻尖區(qū)的溫度依次升高，分別為 140℃、330℃和 380℃，對應(yīng)的孕育時(shí)間為0.002h、0.007h和 0.2h，開始轉(zhuǎn)變溫度分別為160℃、380℃和440℃。表2列出7050合金中各相在不同溫度下的孕育時(shí)間，文獻(xiàn)報(bào)道，7050鋁合金時(shí)效強(qiáng)化過程析出相的順序?yàn)镾SS→GP區(qū)→η′相→η相，其中GP區(qū)和η′相為合金主要沉淀強(qiáng)化相，利用TTT曲線可以制定相關(guān)時(shí)效工藝，隨著時(shí)效溫度的下降，合金中各相的孕育時(shí)間增長。

圖2 7050鋁合金TTT曲線

表2 7050鋁合金中各相不同溫度下孕育時(shí)間

圖3為7050鋁合金的CCT圖，反映了合金以連續(xù)方式冷卻時(shí)相轉(zhuǎn)變與冷卻速度的關(guān)系。η′相無析出的臨界冷卻速度為2℃/s，因此7050鋁合金在固溶處理時(shí)，在230~330℃需要大于2℃/s的冷卻速度以抑制各物相的析出來獲得過飽和固溶體。

圖3 7050鋁合金CCT曲線

2.3 7050合金等溫時(shí)效相組成

由圖1中7050合金平衡相轉(zhuǎn)變過程可知，當(dāng)溫度高于468℃時(shí)，合金中除了Al6Mn相外，固態(tài)下 S（Al2CuMg）相、E（AlCrMgMn）相和 η（MgZn2)相均會(huì)固溶到α（Al）固溶體中。Al6Mn相的固溶溫度為508℃，合金的固相線溫度為510℃，為此合金固溶溫度選擇475~480℃。合金在時(shí)效過程中，首先形成溶質(zhì)原子的偏聚區(qū)（GP區(qū)），隨后脫溶出η′和S′亞穩(wěn)相，亞穩(wěn)相與α（Al）固溶體成共格或半共格關(guān)系，亞穩(wěn)相是合金中主要的沉淀強(qiáng)化相。圖4為 7050鋁合金不同時(shí)效溫度下析出相隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高，合金中亞穩(wěn)相析出的時(shí)間縮短，析出速率增加，析出量增多。時(shí)效溫度為100℃時(shí)，時(shí)效27h，合金中η′和S′分別為6.88%和3.48%，時(shí)效溫度達(dá)到140℃時(shí)，只需時(shí)效13h，合金中η′和S′達(dá)到6.83%和3.63%。

圖4 7050鋁合金不同時(shí)效溫度下析出相隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

（1）通過對7050平衡相組成進(jìn)行計(jì)算，合金室溫下的相組成為86.5%α（Al）、8.87%η（MgZn2）、3.02%S （Al2CuMg）、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和0.26%E（AlCrMgMn）。溫度高于 468℃時(shí)，除Al6Mn相外，合金中固相會(huì)全部固溶于α（Al）固溶體相。

（2）合金的 TTT曲線整體呈“C”形，GP區(qū)、亞穩(wěn)相和穩(wěn)定相鼻尖溫度分別為140℃、330℃和380℃，對應(yīng)的孕育時(shí)間為0.002h、0.007h 和0.2h。η′相無析出的臨界冷卻速度為2℃/s。

（3）隨著時(shí)效溫度的升高，合金中亞穩(wěn)相析出的時(shí)間縮短，析出速率增加，析出量增多，時(shí)效溫度為100℃時(shí)，時(shí)效 27h，合金中 η′和 S′相分別為6.88%和3.48%，時(shí)效溫度達(dá)到140℃時(shí)，只需時(shí)效13h，合金中η′和S′相達(dá)到6.83%和3.63%。