7175鋁合金鑄錠均勻化工藝研究

張 宇，劉 歡，吳 楠，王 克，馮艷飛

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu)合金具有密度小、強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)及民用工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。7175鋁合金為美國(guó)變形鋁合金，與傳統(tǒng)7075鋁合金相比，經(jīng)熱處理后該合金具有更高的強(qiáng)度及抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力，在航空領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。7175合金鑄造組織包含α(Al)和網(wǎng)狀非平衡共晶相，還含有少量塊狀富鐵相(Al7Cu2Fe)，由于粗大共晶組織及雜質(zhì)相比較脆，在熱加工時(shí)析出相與基體界面容易產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致合金過(guò)早開(kāi)裂，這對(duì)材料的塑性加工及使用性能產(chǎn)生了不利影響[3]。為了達(dá)到合金內(nèi)部成分及組織均勻的目的，為后續(xù)塑性加工做好準(zhǔn)備，必須對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火以消除或減少共晶組織的有害作用。使用均勻化工藝不同，均勻過(guò)程中化合物的轉(zhuǎn)變情況不同從而導(dǎo)致組織中化合物的種類、數(shù)量和尺寸不同，對(duì)后續(xù)的組織演變和性能產(chǎn)生一定影響。據(jù)研究表明，提高均勻化溫度比延長(zhǎng)均勻化保溫時(shí)間對(duì)消除鑄錠中粗大第二相的效果更加顯著[4-5]。本文研究了7175鋁合金均勻化處理前后顯微組織變化及第二相殘留情況，對(duì)均勻化工藝的制定，合理選用工藝參數(shù)提供了解決方案。

1 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用7175鋁合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。運(yùn)用自主編程及數(shù)值計(jì)算的方法，研究7175合金的凝固過(guò)程相組成及析出溫度。在凝固過(guò)程采用Scheil-Gulliver模型理論可以很好的解決眾多鋁合金不能試驗(yàn)的凝固問(wèn)題[6]。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)含量為Al-1.5Cu-0.13Fe-2.5Mg-0.1Si-6.0Zn (wt.%)的成分進(jìn)行計(jì)算，得出理想狀態(tài)下，鑄錠的相組成圖及各相析出溫度如圖1所示。由圖1可以看出，按照選取的合金成分，7175鑄錠在理想狀態(tài)下的相組成有S相、T相、MgZn2、Al7Cu2Fe、Mg2Si。其中Al7Cu2Fe及Mg2Si屬于高熔點(diǎn)相，在7175均勻化過(guò)程中無(wú)法消除。因此，需要溶解的相為S相及T相，根據(jù)Al-Cu-Mg系平衡狀態(tài)圖，α+S+T的相組成在472℃(745.3K)下發(fā)生共晶反應(yīng)[7]。

表1 合金化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

均勻化溫度通常采用相熔化溫度的0.90～0.95倍，段玉波等[8]對(duì)高強(qiáng)7A04鋁合金階段性均勻化進(jìn)行了研究，其中第一階段促進(jìn)固溶體成分均勻，第二階段在提升溫度后進(jìn)行高溫均勻化，可提升均勻化效果。因此，設(shè)計(jì)兩種均勻化制度，分別為單級(jí)均勻化工藝440℃×24h，階段均勻化工藝440℃×16h+460℃×8h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DTA分析

圖2為7175合金鑄錠均勻化處理前后的DTA曲線?？梢钥闯?，未經(jīng)均勻化處理的7175合金鑄錠在463.4℃開(kāi)始出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰，表明在此溫度下低熔點(diǎn)共晶相開(kāi)始熔化吸熱。

由曲線可以看出，7175合金經(jīng)440℃保溫24h均勻化處理后試樣在熔化過(guò)程中仍存在吸熱峰，表明在此均勻化制度下合金內(nèi)部的低熔點(diǎn)相沒(méi)有完全溶入基體；經(jīng)440℃×16h+460℃×8h均勻化處理后的試樣在熔化過(guò)程中沒(méi)有吸熱峰的存在，在此制度下能夠?qū)⑺械牡腿埸c(diǎn)共晶物全部消除。由于低熔點(diǎn)相的消除有利于消除成分偏析，減少晶界上第二相質(zhì)量，提高合金的韌性。因此，使用階段均勻化工藝效果更為理想。

2.2 顯微組織分析

圖3為7175合金的顯微組織照片。

由圖3可以看出，合金的鑄態(tài)組織主要由樹(shù)枝狀的α-Al固溶體與晶界上和枝晶間的低熔點(diǎn)共晶相組成，在晶界、晶內(nèi)分布大量第二相，其中晶界處第二相呈網(wǎng)狀連續(xù)分布。使用CAE分析較優(yōu)的工藝參數(shù)440℃×16h+460℃×8h均勻化后的試樣無(wú)過(guò)燒組織，在晶界上第二相的含量較未均勻化數(shù)量大幅度減少，晶界由連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù)，晶界處的共晶組織基本消除，均勻化效果良好。

圖4為7175合金均勻化前后的第二相尺寸及面積分?jǐn)?shù)。由圖4可以看出，合金鑄錠在經(jīng) 440℃×16h+460℃×8h均勻化后第二相尺寸由90μm降低至27μm，第二相面積分?jǐn)?shù)由3.13%降低至1.50%。

2.3 SEM分析

7175合金鑄錠SEM照片如圖5所示，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各點(diǎn)能譜分析結(jié)果(干擾元素C、O、S、F、Cl未計(jì)入表格)

Tab.2 Results of energy spectrum analysis

均勻化制度分析點(diǎn)所含元素原子數(shù)百分比(at.%)分析相組成未均勻化440℃×16h+460℃×8hA1Al、Mg、Si36.4、1.4、7.4α(Al) +Mg2Si+SiA2Al、Mg、Cu37.1、1.18、12α(Al)+Al2Cu+S相A3Mg、Al、Cu、Si、Fe1.1、39.2、6.7、0.4、0.8Al7Cu2Fe+S相+Mg2SiA1Mg、Al、Si3.7、94.7、1.6Mg2SiA2Mg、Al、Cu、Fe0.8、55.6、3.1、2.3α(Al)+Al7Cu2FeA3Mg、Al2.6、94.3α(Al)

能譜顯示7175合金未均勻化鑄錠晶界上第二相主要為含Cu相、Mg2Si、富鐵相、游離Si等。在經(jīng)440℃×16h+460×8h均勻化后晶界殘留的第二相主要為Mg2Si以及富鐵相。其中富鐵相在鑄造過(guò)程就已經(jīng)存在的初生相，一般認(rèn)為這些初生相粒子是在常規(guī)均勻化處理過(guò)程中無(wú)法消除，而Mg2Si屬于高熔點(diǎn)共晶相，均勻化溫度較低時(shí)不發(fā)生回溶。同時(shí)，7175合金經(jīng)均勻化處理后鑄錠晶界上非平衡凝固共晶體的尺寸減少，共晶組織由鑄態(tài)時(shí)的層片狀連續(xù)分布轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)分布的獨(dú)立個(gè)體，含Cu相基本全部回溶。

3 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，7175合金鑄錠的相組成為S相、T相、MgZn2、Al7Cu2Fe及Mg2Si，合金鑄錠在463.4℃開(kāi)始出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰；

(2)7175合金鑄錠經(jīng)440℃×24h均勻化處理后試樣在熔化過(guò)程中仍存在吸熱峰，合金內(nèi)部的低熔點(diǎn)相沒(méi)有完全溶入基體；使用440℃×16h+460℃×8h階段均勻化處理，合金晶界處的共晶組織基本消除，第二相尺寸降低至30μm以下，含銅相基本全部回溶，均勻化效果更為理想；

(3)數(shù)值模擬分析與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，對(duì)鋁合金的均勻化工藝研究具有一定的參考價(jià)值。