Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態(tài)成形的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張樹國，裴桓偉，楊湘杰

（1.南昌航空大學(xué)，南昌 330063；2.江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031）

Al-Zn-Mg-Cu 系（7×××系）合金是鋁合金系列中抗拉強(qiáng)度最高的材料，適用于制造承力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)大梁、析條、翼柱、起落架等，成為航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的輕合金之一，其制造方法一般為鍛造和擠壓等塑性成形工藝[1]。國內(nèi)外學(xué)者對Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能及成形進(jìn)行了大量的研究，并獲得了重要進(jìn)展，促進(jìn)了其在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用，尤其是在航空航天產(chǎn)業(yè)中的大量使用[2]。雖然塑性成形工藝能保證零件的高強(qiáng)度，但其主要缺點(diǎn)是抗疲勞性能較差，連接性差，有應(yīng)力腐蝕及熱裂傾向，且不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，生產(chǎn)成本高。采用傳統(tǒng)的金屬型鑄造、重力鑄造或壓力鑄造等成形的主要問題在于成形過程中的充型難度大、熱裂傾向嚴(yán)重。半固態(tài)成形技術(shù)是在模具和外界載荷的共同作用下，利用金屬材料固液共存狀態(tài)下的獨(dú)有流變特性，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)件成形的一種先進(jìn)成形技術(shù)[3]。半固態(tài)成形技術(shù)用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金的加工，可以制造出形狀復(fù)雜的零部件，同時(shí)保持其高強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)部分產(chǎn)品以鑄代鍛，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效益[4—5]。文中從Al-Zn-Mg-Cu合金半固態(tài)成形技術(shù)與工藝研究、半固態(tài)成形合金的成分調(diào)控、微觀組織結(jié)構(gòu)與性能等方面進(jìn)行一定的分析和展望。

1 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態(tài)成形技術(shù)與工藝

隨著半固態(tài)金屬流變成形技術(shù)的不斷發(fā)展，半固態(tài)金屬漿料的制備工藝也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，即在力求獲得高品質(zhì)半固態(tài)金屬漿料的同時(shí)，進(jìn)一步縮短和簡化制備流程，降低漿料的制備成本，并使之與后續(xù)的成形工藝有較好的銜接[6]。前期出現(xiàn)的典型制備工藝有傾斜板澆注工藝（New rheocasting，NRC）[7]、SEED（Swirl Enthalpy Equilibration）法[8]、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）[9—10]和新MIT 法等[11]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態(tài)成形技術(shù)進(jìn)行了不斷的研究和探索，簡要介紹如下。

1.1 環(huán)縫式電磁攪拌技術(shù)

李春林等[12]通過環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿方法，結(jié)合壓鑄和擠壓鑄造工藝實(shí)現(xiàn)了 7075 合金的流變成形。電磁攪拌法在日常的漿料制備過程中自動(dòng)化程度高，產(chǎn)能大，應(yīng)用比較廣泛，但也存在如攪拌不均勻，不能使?jié){料更好地融合等不足，因此研究人員通過對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)并發(fā)明了環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)生的漿料晶粒形狀粗大、大小不均勻，環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿的條件下，得到的漿料晶粒形狀變細(xì)，相比之前有明顯的減小。環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿技術(shù)與傳統(tǒng)壓鑄、擠壓鑄造等工藝實(shí)現(xiàn)了有效對接，解決了傳統(tǒng)高強(qiáng)變形鋁合金不能直接鑄造成形的技術(shù)難題，能生產(chǎn)出滿足軍工要求的關(guān)鍵輕量化零件。胡斌等[13]通過研究比較了普通電磁攪拌、化學(xué)細(xì)化法對擠壓鑄造7075 合金的凝固組織和力學(xué)性能，研究結(jié)果顯示，環(huán)縫式電磁攪拌熔體處理技術(shù)顯著減弱了普通電磁攪拌所固有的集膚效應(yīng)對合金凝固組織的影響，合金熔體的溫度場和成分場更加均勻，更利于熔體“凝固初期晶核”瞬間大量生成，獲得細(xì)小均勻的凝固組織。何敏等[14]通過開發(fā)復(fù)合環(huán)縫式電磁攪拌（Multi-Annular Electromagnetic Stirring,M-AEMS）熔體處理方法，同時(shí)研制了M-AEMS 熔體處理裝置，對7075 合金進(jìn)行了擠壓鑄造成形，晶粒更加細(xì)小、均勻，鑄件的力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平。

1.2 蛇形通道澆注法

ZHU Wen-zhi 等[15]和涂琴等[16]采用蛇形通道澆注法制備了7075 鋁合金半固態(tài)漿料，研究了澆注溫度、通道材質(zhì)等對7075 鋁合金半固態(tài)漿料組織的影響，所形成的鋁合金漿料組織由枝狀晶向薔薇狀直至球狀或類球狀晶轉(zhuǎn)變，形成的晶粒越細(xì)小、圓整、均勻，銅質(zhì)材料優(yōu)于石墨質(zhì)蛇形通道。趙文濤等[17]采用自制的水冷銅質(zhì)蛇形通道裝置制備了半固態(tài)7075 鋁合金漿料，結(jié)果顯示采用低過熱度澆注制備半固態(tài)7075 鋁合金漿料過程中，合金熔體在具有一定弧度且封閉的蛇形彎道內(nèi)流動(dòng)并多次改變流動(dòng)方向，具有類似攪拌功能，使得初生晶核逐漸演變?yōu)榍蛐位蚪蛐尉Я?，其初生?Al 的平均晶粒尺寸小于41 μm，形狀因子大于0.79。

1.3 復(fù)合式半固態(tài)成形

付金龍[18]基于ECAP-SIMA（等徑角擠壓技術(shù)-應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激化法）方法制備了7075 半固態(tài)鋁合金，對其組織演化機(jī)理、工藝參數(shù)對球狀晶形貌的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，半固態(tài)組織比常規(guī)重熔再結(jié)晶法（RAP 法）制備的半固態(tài)組織更加細(xì)小、均勻、圓整。鄭小平等[19]采用熱軋+半固態(tài)熱處理+熱軋的工藝制備出7075 鋁合金半固態(tài)板材，并對其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。韓飛等[20]對7075 鋁合金半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用三段式感應(yīng)加熱得到了某型號尾翼半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合近凈成形的梯度分布組織。Kerem Altug GULER 等[21]用冷卻傾斜板鑄造法制備AA7075 半固態(tài)鑄錠，并對其進(jìn)行再加熱和觸變鍛造成形，結(jié)果顯示，材料的晶粒尺寸和球形度較好，采用60°傾斜角的結(jié)果更好。

1.4 其他制漿及成形方法

楊斌等[22]用倒錐形通道的方法制備了半固態(tài)7075 鋁合金漿料，通道內(nèi)壁的殘余料比較少，減少浪費(fèi)，提高了漿料的利用率；宋曉俊等[23]采用倒錐形通道制備半固態(tài)7075 鋁合金漿料，漿料組織分布較均勻，后續(xù)流變壓鑄件的組織也均勻、致密，表明通過此工藝方法可獲得力學(xué)性能較好的半固態(tài)7075 鋁合金壓鑄件。林方成[24]及劉洪軍等[25]研究了再結(jié)晶重熔（RAP）法制備半固態(tài)7075 鋁合金的數(shù)值模型。郭保永[26]提出熱擠壓態(tài)鋁合金直接半固態(tài)等溫處理（Semi-Solid Isothermal Treatment of Hot-Extrude Aluminum Alloy,SSITHEAA）法制備半固態(tài)坯料，基于此方法研究了熱擠壓態(tài)7075 鋁合金半固態(tài)坯料的制備及觸變擠壓成形工藝。Zhou Bing 等[27]采用強(qiáng)制對流流變裝置（FCR）制備了7075 鋁合金半固態(tài)漿料，隨著攪拌速度的增加，半固態(tài)組織的晶粒尺寸減小，形狀因子及粒子數(shù)增加。高靜[28]以及李春曉等[29]采用應(yīng)變誘發(fā)熔化激活（SIMA）法制備7075 鋁合金半固態(tài)觸變坯料。朱永博等[30]采用剪切低溫澆注式（LSPSF）半固態(tài)漿料制備工藝制備7075 鋁合金鑄棒，并依次進(jìn)行均勻化處理、熱擠壓和T6 熱處理，研究了熱擠壓和熱處理對鋁合金顯微組織和拉伸性能的影響。

2 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態(tài)成形合金的成分及微結(jié)構(gòu)調(diào)控

半固態(tài)成形的主要優(yōu)勢之一為成形件致密，可通過熱處理進(jìn)一步提高性能，但研究發(fā)現(xiàn)，固溶時(shí)效處理時(shí)，合金元素含量及其在基體中的固溶度的大小、沿晶界分布的低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)物的多少和分布、過飽和固溶體回溶分解析出彌散相和固溶時(shí)不能溶入的過剩相的分布等，嚴(yán)重影響力學(xué)性能。在鋁合金中添加微量元素細(xì)化組織是提高鋁合金力學(xué)性能的重要手段之一，半固態(tài)成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的成分調(diào)控、微合金化及微觀組織結(jié)構(gòu)控制方面的研究，也有研究人員進(jìn)行了一定的探索。

?.Rogal 等[31]研究了添加Sc 和Zr 的7075 鋁合金半固態(tài)觸變加工，結(jié)果表明，球狀晶粒非常細(xì)小，平均尺寸為23 μm，在α(Al)晶粒中發(fā)現(xiàn)Al3(Sc，Zr)初生析出物，晶粒尺寸在5 μm 左右。S.R.Damadi等[32]研究開發(fā)了一種適用于同向雙螺桿流變擠壓的7×××鋁合金，以Al-14Zn-9Mg-5.2Cu 為標(biāo)準(zhǔn)成分，在固相分?jǐn)?shù)為0.6 和轉(zhuǎn)速為450 r/min 的條件下，流變擠壓試樣的力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平。程遠(yuǎn)勝等[33]基于鋁基復(fù)合材料優(yōu)異的物理及力學(xué)性能、半固態(tài)成形“固液共存”的良好擴(kuò)散性及流動(dòng)性而提出了復(fù)合材料模鍛連接工藝，并利用該工藝成功制備出7075-SiC/7075 復(fù)合材料，通過交叉分析不同工藝參數(shù)條件下的界面性能，證明在615 ℃、326 MPa 的最佳工藝條件下，界面剪切強(qiáng)度達(dá)到260 MPa。楊斌等[34]通過球磨混粉+半固態(tài)燒結(jié)法成功制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的石墨烯/ 7075 鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料中的石墨烯納米片均勻分散在7075 鋁合金基體中，相比于未添加石墨烯的7075 鋁合金基體，復(fù)合材料的密度有所下降，維氏硬度和抗拉強(qiáng)度則分別提高了14%和32%，伸長率無明顯變化。

朱永博等[23]研究了熱擠壓與熱處理對半固態(tài)方法制備7075 鋁合金顯微組織與拉伸性能的影響，結(jié)果顯示鑄態(tài)鋁合金中的近球形晶粒在熱擠壓過程中變?yōu)椴灰?guī)則形狀，經(jīng)T6 熱處理后，鋁合金組織中出現(xiàn)較明顯的晶界；熱擠壓和T6 熱處理使鋁合金組織中的（110）晶面產(chǎn)生擇優(yōu)取向。朱成等[35]研究了半固態(tài)等溫?zé)崽幚磉^程中，7075 合金由枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵ЫM織的演變機(jī)理，并對比了半固態(tài)組織和鑄態(tài)組織相組成的區(qū)別，結(jié)果表明，非枝晶組織的形成經(jīng)過分枝特征的消失、晶界的平直化、晶界的弧狀化與晶粒的長大3 個(gè)階段，7075 鑄態(tài)枝晶組織與半固態(tài)組織的組成相相同，都是由α-Al，η(MgZn2)和θ(Al2Cu)組成。齊元昊等[36]研究了Al-Zn-Mg-Cu 合金在加熱到半固態(tài)兩相區(qū)溫度等溫保溫過程中的組織粗化規(guī)律，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)合金組織的多邊化、球化和粗化現(xiàn)象是同時(shí)發(fā)生的，組織粗化以晶粒合并長大和Ostwald 熟化的方式進(jìn)行。Chen Gang 等[37]研究了觸變成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的組織演變和力學(xué)性能，基于多級再加熱觸變成形制件的力學(xué)性能接近鍛件水平。N.Mahathaninwong 等[38]認(rèn)為流變鑄造7075 合金固溶溫度過高如480 ℃時(shí)，會(huì)發(fā)生Mg2Si 粒子的過熱熔化，導(dǎo)致性能惡化；球晶粒子及晶粒細(xì)小，使得合金的硬度和強(qiáng)度提高；合金的主要硬化相為η相，而在較高時(shí)效溫度下，η相的早期成核導(dǎo)致合金強(qiáng)度綜合性能降低。

3 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態(tài)成形的組織與力學(xué)性能

3.1 合金微觀組織

高志華等[39]利用螺旋式環(huán)縫電磁攪拌處理，通過對溫度、攪拌頻率、芯棒等的控制，對7075 合金進(jìn)行合金組織分析。在澆注溫度為650 ℃和攪拌電流為20 A 時(shí)螺旋式環(huán)縫電磁攪拌條件下的7075 鋁合金有很好的晶粒細(xì)化作用，能使其從樹狀晶變成尺寸更小的等軸晶，約為70 μm。胡斌等[13]對合金熔體同時(shí)進(jìn)行環(huán)縫式電磁攪拌和添加Al-Ti-B 化學(xué)細(xì)化劑處理，擠壓鑄造的7075 鋁合金顯微組織變得更加細(xì)小、均勻、圓整，晶粒尺寸縮小為69 μm，形狀因子達(dá)到0.62。趙君文等[40]采用不超過1 kW/kg 的攪拌功率制備出7A04 鋁合金大體積半固態(tài)漿料，在澆注溫度為650 ℃、名義攪拌功率為0.6 kW/kg 和攪拌時(shí)間為40 s條件下，可以制備出初生晶粒平均直徑為73.5 μm，平均圓整度為0.57 的7A04 大體積鋁合金半固態(tài)漿料。李春曉等[29]利用應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）制備了7075 鋁合金半固態(tài)坯料，研究了半固態(tài)加熱溫度與保溫時(shí)間對7075 鋁合金半固態(tài)坯料顯微組織及壓縮性能的影響。結(jié)果顯示等溫溫度在595 ℃、保溫30 min 時(shí)，獲得的7075 鋁合金半固態(tài)坯料的初生固相顆粒均勻、細(xì)小、圓整，抗壓強(qiáng)度可達(dá)426.82 MPa。趙文濤等[17]采用自制的水冷銅質(zhì)蛇形通道裝置制備了半固態(tài) 7075 鋁合金漿料，當(dāng)澆注溫度為680～700 ℃時(shí)，能獲得理想的半固態(tài)7075 鋁合金漿料，其初生α-Al 的平均晶粒尺寸小于41 μm，形狀因子大于0.79。

南昌大學(xué)利用自主開發(fā)的剪切低溫澆注式半固態(tài)漿料制備（LSPSF）工藝，研究制備出了高品質(zhì)的半固態(tài)漿料，流變擠壓鑄造成形后，成形件T6 熱處理后的金相顯微組織及晶粒大小分布如圖1 所示，晶粒細(xì)小，沉淀相分布均勻[41]。

3.2 力學(xué)性能

Chen Gang 等[37]研究了觸變成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的組織演變和力學(xué)性能，基于多級再加熱的觸變擠壓成形制件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為510 MPa、446 MPa 和17.5%。S.R.Damadi 等[32]研究開發(fā)一種適用于同向雙螺桿流變擠壓的7×××鋁合金，以Al-14Zn-9Mg-5.2Cu 為標(biāo)準(zhǔn)成分，在固相分?jǐn)?shù)為0.6 和轉(zhuǎn)速為450 r/min 條件下，流變擠壓試樣的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度為682 MPa，屈服強(qiáng)度為621 MPa，伸長率為10%。國內(nèi)外學(xué)者研究的Al-Zn-Mg-Cu合金半固態(tài)成形后的力學(xué)性能見表1，可以看出，采用流變擠壓鑄造成形的合金強(qiáng)度接近鍛件水平。

圖1 7075 合金流變擠壓鑄造制件T6 態(tài)微觀形貌Fig.1 Microstructure of T6 state of 7075 alloy by rheo squeeze casting

表1 Al-Zn-Mg-Cu合金半固態(tài)成形后的力學(xué)性能比較Tab.1 Comparison of mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after semi-solid forming

4 總結(jié)與展望

半固態(tài)成形作為低成本、低能耗的新型工藝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)Al-Zn-Mg-Cu 系高強(qiáng)合金近凈成形的有效途徑[44]。在微觀組織結(jié)構(gòu)上仍然存在不均勻性、微觀偏析等缺陷；在微合金化和成分的設(shè)計(jì)方面研究還比較少；力學(xué)性能的穩(wěn)定性和一致性還不夠，從而導(dǎo)致應(yīng)用方面還沒有產(chǎn)生規(guī)模化效應(yīng)，因此，仍需要對相關(guān)的基礎(chǔ)理論、工藝和設(shè)備進(jìn)行更加深入的研究。當(dāng)前需要盡快解決以下幾個(gè)問題：①合金的微合金化及合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)；② 熱處理工藝對應(yīng)的微觀組織結(jié)構(gòu)調(diào)控，從而達(dá)到綜合力學(xué)性能穩(wěn)定的目標(biāo)；③開發(fā)適合半固態(tài)成形的專用設(shè)備和工裝，避免工藝過程中的二次污染，提高成形件的質(zhì)量和一致性。