7060鋁合金鑄錠第二相控制及其對氣瓶疲勞性能的影響

南 洋，王瑞東，劉揚濤，何振波*，郭奉斌

（1.沈陽中復科金壓力容器有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.航橋新材料科技（濱州）有限公司，山東 濱州 256600）

沈陽中復科金壓力容器有限公司致力于解決新材料帶來的新問題。鋁合金中Fe元素形成的脆性相及Cu元素形成的S相，降低了材料的斷裂韌性，特別在高強度的7060鋁合金中，嚴重影響了鋁合金無縫氣瓶的疲勞性能。在鋁合金鑄錠內(nèi)Fe元素的含量一定的情況下，如何通過鑄錠熱處理工藝改進，制造出滿足產(chǎn)品安全性能要求的鋁合金無縫氣瓶是生產(chǎn)廠家需要解決的一個問題。

1 試驗用材

試驗用7060鋁合金鑄錠由航橋新材料科技（濱州）有限公司提供，化學成分滿足標準ISO 7866：2012《氣瓶-可重復充裝鋁合金無縫氣瓶-設(shè)計，結(jié)構(gòu)和試驗》的要求，鑄棒的化學成分實測值如表1所示。

表1 實驗用7060鋁合金鑄錠化學元素

2 鋁合金鑄錠的傳統(tǒng)均勻化工藝研究

（1）實驗用鋁棒采用傳統(tǒng)工藝進行均質(zhì)化退火。首批氣瓶樣品經(jīng)過合理的熱處理后，進行壓力循環(huán)試驗，試驗結(jié)果不滿足標準要求，樣品瓶泄露后對鋁瓶斷口進行分析。

（2）對斷口進行SEM高倍掃描，如圖1所示，能觀察到裂紋處分布大量白色顆粒狀第二相（圖中圓圈標記）。

（3）對圖1中圓圈內(nèi)1點做能譜分析，其成分結(jié)果如表2。

表2 點1主要元素含量

通過點1能譜分析結(jié)果，能夠認為裂紋處廣泛分布的第二相為Al7Cu2Fe相，故推測在合金晶界面上斷續(xù)分布的脆性金屬間化合物Al7Cu2Fe相為開裂主要原因，在變形過程中產(chǎn)生該相促進產(chǎn)生微孔聚合型沿晶斷裂。

圖1 鋁瓶斷口SEM高倍掃描

3 鑄錠均勻化熱處理工藝優(yōu)化

3.1 DSC掃描

對鋁合金鑄錠進行DSC分析，由掃描結(jié)果（如圖2）可知，該合金鑄錠中在476.97℃、486.08℃及552.05℃位置出現(xiàn)明顯的吸熱峰，在保證鑄錠中低熔點相不過燒的前提下，在接近470℃的溫度下長時間保溫，可以保證低熔點相的完全回溶，在此基礎(chǔ)上進一步提高均熱溫度，可進一步減少鑄錠中未溶相的尺寸及數(shù)量。

圖2 DSC掃描結(jié)果

表3 不同工藝下進行二次均熱的鋁瓶疲勞性能對比

3.2 均勻化退火工藝的優(yōu)化

通過鑄錠DSC分析結(jié)果可知，7060鑄錠中主要含有三類熔點不同的相，470℃單級均勻化可將熔點最低的相回溶，在此基礎(chǔ)上進行溫度更高的二次均熱，可將熔點更高的相回溶基體，從而進一步提高合金的疲勞性能。

通過以上試驗結(jié)果，擬定在原始均勻化退火工藝的基礎(chǔ)上進行二次均質(zhì)化退火，工藝如圖3。

圖3 7060鋁棒采用的二次均熱工藝

經(jīng)過二次均熱后，7060鑄錠晶界第二相變化較小，尺寸未見明顯減小，而晶內(nèi)的微米級第二相明顯減少，回溶效果明顯，金相對比如圖4。

圖4 7060鑄錠二次均熱前后的金相對比

4 氣瓶疲勞性能的驗證

（1）按國際標準ISO 7866：2012《氣瓶-可重復充裝鋁合金無縫氣瓶-設(shè)計，結(jié)構(gòu)和試驗》的要求設(shè)計7060材料的鋁合金無縫氣瓶，選用相同設(shè)計、同一批次生產(chǎn)的氣瓶進行按標準要求進行壓力循環(huán)試驗。

（2）采用相同的固溶處理工藝，不同的時效處理工藝對該批次鋁瓶進行處理，使用經(jīng)過兩種工藝處理過的鑄錠，疲勞試驗次數(shù)對比如表3。

疲勞試驗過程中，粗大第二相會對合金的疲勞性能產(chǎn)生較大影響，從金相結(jié)果可知，二次均熱后，合金晶內(nèi)微米級尺寸較大第二相已全部回溶，從而減少了在試驗過程中因該類第二相的存在而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時隨著合金時效程度的增加，有利于疲勞性能的進一步提升。合金經(jīng)三級時效制度處理后，晶內(nèi)析出相析出均勻、彌散且析出相尺寸更為細小，使得合金性能均勻，有利于疲勞性能的進一步提升。

5 結(jié)論

（1）7060鋁合金鑄棒內(nèi)含有大量的第二相，會導致產(chǎn)品脆性增大，對氣瓶的疲勞性能有害。

（2）采用475℃的長時間二次均熱后，7060鋁合金晶界大尺寸相變化不明顯，但晶內(nèi)微米級析出相全部回溶，有利于氣瓶疲勞性能的改善，同時采用三級時效制度，可進一步提高氣瓶的疲勞性能。