微量Zr元素對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金陽極化效果的影響

王瑞雪，羅 陽，汪 磊

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu系合金屬高強(qiáng)、硬鋁合金，由于具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和良好的力學(xué)性能，因而在航空、航天、船舶工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是應(yīng)用到民用飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料中[1-3]。由于一些使用環(huán)境的特殊性，特別是常年在沿?；蚝Ｑ蟓h(huán)境下使用的飛機(jī)、輪船等，不可避免地會(huì)發(fā)生各種形式的腐蝕[4]，因此需要對(duì)航空、航海用鋁合金產(chǎn)品表面進(jìn)行防腐處理。

但是，隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越高，現(xiàn)有鋁合金產(chǎn)品表面簡單的防腐處理已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的品質(zhì)生活需求。因此，這就要求材料在滿足基本使用條件下，也必須滿足人們對(duì)于產(chǎn)品外觀品質(zhì)的要求。

為了使Al-Zn-Mg-Cu 合金厚板獲得較好的外觀形貌，本文在Al-Zn-Mg-Cu 合金基礎(chǔ)上添加了微量的Zr 元素，通過對(duì)比兩種合金成分試樣成品的力學(xué)性能、顯微組織及陽極氧化效果，確定了微量Zr 元素對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 合金產(chǎn)品表面處理的影響，并提出改善方法。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)原料包括純鋁（99.9%+99.7%）、純鋅（99.9%）、純鎂（99.9%）、純銅（99.9%）、Al-Cu、Al-Cr、Al-B 等中間合金、鋁鈦硼絲細(xì)化劑、7075 合金一級(jí)廢料和7050 合金一級(jí)廢料，主要成分配料見表1。鑄錠經(jīng)大生產(chǎn)加熱爐熔煉、精煉、過濾，澆注成型，鑄造溫度控制在700～740 ℃。鑄錠均熱工藝為460～470 ℃/28～40 h。均熱后對(duì)鑄錠進(jìn)行常規(guī)切頭尾、高低倍檢測(cè)和銑面處理。

表1 合金成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

板材生產(chǎn)工藝路線為：鑄錠加熱→軋制→固溶處理→預(yù)拉伸→時(shí)效處理→樣品鋸切→性能、陽極氧化檢測(cè)。

用島津AGS-X-100 KN電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為15～25 mm/min，拉伸試驗(yàn)方法按GB/T 228.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，每組測(cè)試3個(gè)試樣，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

用萊卡金相顯微鏡觀察合金偏光組織，用數(shù)碼顯微鏡觀察試樣成品縱截面陽極氧化形貌。試樣陽極氧化工藝主要參數(shù)見表2。

表2 陽極氧化工序主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金的力學(xué)性能

1#、2#試樣T6 狀態(tài)下的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果列于表3。從表3 可以看出，兩種不同成分合金試樣的強(qiáng)度及延伸率相差不大，且屈服及抗拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)值30 MPa 左右，延伸率高于標(biāo)準(zhǔn)值7%左右。比較兩種合金T6 狀態(tài)力學(xué)性能可知，添加0.02%Zr 后，合金強(qiáng)度和延伸率并無明顯變化。由此可見，對(duì)于Al-Zn-Mg-Cu 合金板材來說，Zr 元素的添加對(duì)其力學(xué)性能影響不大。

表3 1#、2#試樣T6狀態(tài)力學(xué)性能

2.2 合金陽極氧化效果

1#、2#試樣T6狀態(tài)縱截面陽極氧化效果如圖1所示。由圖1 可以看出，1#試樣厚度截面色澤明亮，且陽極氧化效果均勻；2#試樣厚度截面出現(xiàn)明、暗相間色差帶，陽極氧化效果不均勻。比較兩種合金T6 狀態(tài)陽極氧化效果可知，1#試樣陽極氧化效果明顯優(yōu)于2#試樣。

圖1 樣品典型陽極氧化形貌

圖2 樣品典型顯微組織形貌

2.3 合金顯微組織

1#、2#試樣T6狀態(tài)縱截面顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可以看出，1#試樣厚度截面呈再結(jié)晶組織形貌，且不同厚度位置晶粒組織相差不大，整個(gè)厚度截面組織相對(duì)均勻；2#試樣厚度截面出現(xiàn)變形組織與再結(jié)晶組織混合現(xiàn)象，氧化發(fā)亮區(qū)域?yàn)榇执笤俳Y(jié)晶組織形貌，氧化發(fā)暗區(qū)域?yàn)樽冃谓M織形貌。比較兩種合金T6 狀態(tài)縱截面顯微組織形貌可知，Zr 元素的添加會(huì)使Al-Zn-Mg-Cu 合金再結(jié)晶溫度提高，抑制再結(jié)晶組織產(chǎn)生，導(dǎo)致軋制過程更容易出現(xiàn)變形組織形貌。但由于Zr 元素分布不均勻，即未能充分發(fā)揮Zr 元素的作用，使得整個(gè)厚度截面陽極氧化均勻性效果變差。

3 分析與討論

相關(guān)研究資料表明，由于Zr 元素的添加，在合金均勻化過程中會(huì)析出與基體共格的亞穩(wěn)Al3Zr相[5]。經(jīng)后續(xù)固溶處理時(shí)，Al3Zr相會(huì)對(duì)合金晶界起到一定的釘扎作用，阻止晶界和亞晶界的遷移，同時(shí)保留軋制變形產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)，因此對(duì)鋁合金細(xì)化晶粒、強(qiáng)化基體有著重要意義[6，7]。

但對(duì)于本次試驗(yàn)來說，Zr元素的作用不僅僅是優(yōu)化Al-Zn-Mg-Cu 合金性能，更重要的是在潛在的其它復(fù)雜第二相影響未知的情形下，充分提高Al3Zr 粒子的彌散分布，以實(shí)現(xiàn)鑄錠后續(xù)熱加工及熱處理過程中不發(fā)生或少發(fā)生再結(jié)晶長大，獲得均勻一致的變形組織，從而使成品獲得較好的陽極氧化效果。

通過對(duì)試樣厚度截面陽極氧化形貌及顯微組織觀察可知，2#（Al-Zn-Mg-Cu-Zr）試樣成品厚度截面組織不均勻，呈現(xiàn)異常粗大再結(jié)晶組織與變形組織相混合的狀態(tài)，這與Al3Zr 粒子的彌散分布程度不均勻有關(guān)。

因此，綜合分析可知，為了獲得均勻分布的Al3Zr 粒子，可采用雙級(jí)均勻化熱處理制度對(duì)其進(jìn)行改善。其中，第一級(jí)熱處理屬于較低溫度的熱處理，以促使Al3Zr 粒子形核為主要目的，伴隨著部分粒子長大；第二級(jí)熱處理屬于較高溫度熱處理，以促使金屬晶粒內(nèi)部合金元素均勻分布、且較少偏析為主，同時(shí)伴隨有部分Al3Zr 粒子形核長大，為后續(xù)獲得均勻一致的變形組織做準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

（1）添加微量的Zr 可以明顯抑制Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金的再結(jié)晶程度，但由于Al3Zr 粒子的彌散分布程度不均勻，導(dǎo)致合金整個(gè)厚度截面組織不均勻，并最終影響板材成品的陽極氧化效果。

（2）解決Al-Zn-Mg-Cu-Zr 鋁合金厚板截面“色差”缺陷的關(guān)鍵是優(yōu)化均熱工藝，將單級(jí)均熱改為雙級(jí)均熱。