高強(qiáng)鋁合金7055的液態(tài)模鍛技術(shù)研究

王井玲

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300222）

0 引言

鋁合金密度不高，力學(xué)性能中強(qiáng)度相對(duì)不錯(cuò)，延展性好，可以用它加工成各種形狀的材料，本身具有很好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性，在工業(yè)上得到了普遍的應(yīng)用，應(yīng)用程度僅僅低于鋼的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些年來(lái)工業(yè)也得到了快速的發(fā)展，鋁合金作為重要的金屬資源材料在航空、醫(yī)療以及軍事工業(yè)等領(lǐng)域起到了越來(lái)越重要的作用。

7055鋁合金是中高強(qiáng)鋁—鋅—鎂系鋁合金中的一種，具有密度低、韌性好、所需制造的成本低以及成型方便快捷等特點(diǎn)，在航空、航天、交通等其他方面得到很大的應(yīng)用。7055鋁合金是美國(guó)鋁業(yè)公司通過(guò)增加 Zn和 Cu兩大主要元素，在7050和7150合金系列基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)得到的。其性能優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)度高、密度低，斷裂韌抗疲勞性能和抗腐蝕性能都非常好，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。7055高強(qiáng)鋁合金的主要雜志元素是Fe和Si，主要添加的合金元素有Zn，Mg，Cu還有Zr。

我國(guó)對(duì)超高強(qiáng)的鋁合金研究時(shí)間很短，而對(duì)7055鋁合金以及對(duì)7055鋁合金的制造工藝的研究才剛剛開(kāi)始，雖然近些年來(lái)，不少研究者和專(zhuān)家增加了對(duì)7055鋁合金的研究力度，也取得了不少成就和研究數(shù)據(jù)，但是和世界先進(jìn)國(guó)家相比，距離還很大。

1 7055鋁合金的制備與成型工藝

7xxx系合金液/固相線(xiàn)間距大，凝固成形時(shí)過(guò)渡帶寬，易出現(xiàn)疏松、氣孔等組織缺陷，鑄造裂紋傾向較大，給在高強(qiáng)條件下工作的零件帶來(lái)危險(xiǎn)，常規(guī)加工方法多數(shù)采用鑄造之后塑形加工成形，存在嚴(yán)重偏析、未溶共晶相粗大等問(wèn)題。提出噴射成形快速凝固——熱擠壓——固溶時(shí)效處理后 SEM 檢測(cè)組織致密，屈服強(qiáng)度大463MPa抗拉強(qiáng)度512MPa伸長(zhǎng)率14%，硬度204.5HV。

7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，為可沉淀硬化鋁合金，控制沉淀相的結(jié)構(gòu)，可使之強(qiáng)化，主要采用固溶處理和人工時(shí)效處理進(jìn)行強(qiáng)化。不同的熱處理對(duì)合金的強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕性能、斷裂韌性都產(chǎn)生較大的影響。目前7055鋁合金主要通過(guò)固溶處理和時(shí)效實(shí)處理現(xiàn)強(qiáng)化。自7055鋁合金問(wèn)世以來(lái)，其固溶時(shí)效熱處理制度也在發(fā)展。利用不同時(shí)效條件下，沉淀相析出的不同。但是，迄今為止，這些沉淀相的結(jié)構(gòu)組成和形態(tài)特征，以及析出過(guò)程中的組織演變規(guī)律還沒(méi)有形成確切統(tǒng)一的說(shuō)法。目前7055鋁合金常用的熱處理工藝經(jīng)歷了T6-T73-T74-T76-T77-T79-T7751一系列的優(yōu)化過(guò)程。其中，T7751的工藝過(guò)程至今未公開(kāi)。

液態(tài)模鍛，被人們又稱(chēng)之為擠壓鑄造，是目前世界上剛剛興起的一種新的金屬成型方式。液態(tài)模鍛技術(shù)具有生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量好，所使用設(shè)備少，節(jié)約能源，環(huán)境污染小，所消耗的成本低等特點(diǎn)該技術(shù)為7055鋁合金提供了一種可能的生產(chǎn)工藝，通過(guò)熱處理獲得性能良好的7055鋁合金。

2 液態(tài)模鍛7055鋁合工藝及組織特征

2.1 液態(tài)模鍛工藝參數(shù)

液態(tài)模鍛7055鋁合金采用的工藝參數(shù)如表1所示。澆注溫度為720℃，壓力值分別為0Mpa,30Mpa,60Mpa,90Mpa,130Mpa。

2.2 液態(tài)模鍛7055鋁合金組織性能檢測(cè)

如圖1所示是五種壓力下液態(tài)模鍛后放大200倍的金相組織。從圖中可以看出，其晶粒分布不均勻，偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，合金中的各個(gè)組成元素在結(jié)晶時(shí)分布不均勻。7055鑄態(tài)合金的組織為固溶體基體上均勻分布著第二相顆粒，高溫沉淀的尺寸在 m以上的粗大結(jié)晶相顆粒、高溫沉淀的 m以下的彌散相顆粒和時(shí)效析出的尺寸在0.1 m以下的析出相顆粒。7055 的物相組成為 -AL（固溶體），（MgZn2）、S（Al2CuMg）、T（Al2Zn3Mg2）和Al3Zr。各個(gè)相的晶格結(jié)構(gòu)，哪個(gè)相起決定性的強(qiáng)化作用未定。

從晶粒尺寸方面分析，當(dāng)壓力為60MPa時(shí)，晶粒的平均尺寸最小，晶粒大小不均勻，當(dāng)壓力小于60MPa時(shí)，隨著壓力的增加，晶粒尺寸不斷減小，當(dāng)壓力大于60MPa，隨著壓力的增加，晶粒尺寸有增大趨勢(shì)。60MPa壓力為該工藝參數(shù)條件下獲得細(xì)小晶粒的一個(gè)臨界點(diǎn)，60MPa前壓力越大晶粒尺寸變得越細(xì)，但超過(guò)60MPa的壓力后，壓力越大，晶粒尺寸也變得越大。晶粒尺寸變化的主要原因是過(guò)冷度的影響。液態(tài)模鍛過(guò)程中鑄件在壓力的作用下凝固，鑄件與模具之間的間隙會(huì)變小甚至消除，當(dāng)間隙變小后，金屬模具的傳熱速度增快，從而鑄件的冷卻速度就會(huì)變快，過(guò)冷度增大，使得晶粒細(xì)化。而且在壓力的作用下，會(huì)使熔點(diǎn)升高，相當(dāng)于理論結(jié)晶溫度升高，實(shí)際結(jié)晶溫度不變或降低，從而使過(guò)冷度變大，形核率增大，單位時(shí)間單位體積中的晶核數(shù)量就越多，使得晶粒細(xì)化。同時(shí)壓力還會(huì)阻止晶核長(zhǎng)大，從而增加晶核數(shù)量，也促進(jìn)晶粒細(xì)化。

圖1：不同壓力下液態(tài)模鍛后金相組織（200×）

從晶粒粗細(xì)變化與壓力的關(guān)系可以看出影響晶粒尺寸的工藝因素不是單一的壓力。其影響結(jié)果的關(guān)鍵點(diǎn)是加壓時(shí)，熔體溫度值。該溫度在液相線(xiàn)附近某一個(gè)值時(shí)，隨壓力的增加而晶粒尺寸減小。例如，有研究提出，當(dāng)澆注溫度大于某一臨界溫度值時(shí)，隨壓力增加，晶粒尺寸增大，當(dāng)澆注溫度小于某一臨界溫度值時(shí)，隨壓力的增加，晶粒尺寸增大。

在液態(tài)模鍛的過(guò)程中，增加壓力可以改變固溶度；細(xì)化第二相；減小原子間距改變熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱率；改變形核速率和晶體長(zhǎng)大速度，這些都是晶粒能夠得以細(xì)化的原因。

表1：五個(gè)壓力測(cè)得硬度值表

不同壓力下的液態(tài)模鍛7055鋁合金的維氏硬度如表1所示。硬度測(cè)試時(shí)，為了保障結(jié)果的準(zhǔn)確性，至少取三個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值作為硬度測(cè)試結(jié)果。當(dāng)液態(tài)模鍛的壓力參數(shù)值為60MPa時(shí)，硬度最高為155HV，明顯高于壓力為0參數(shù)下的硬度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相較于普通鑄造技術(shù)，由于壓力作用使結(jié)晶過(guò)冷度增大等原因，采液態(tài)模鍛技術(shù)制備7055鋁合金可以獲得更為細(xì)小均勻的晶粒，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均硬度也更高。液態(tài)模鍛技術(shù)可用于7055鋁合金的成型，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金的超強(qiáng)韌化提供了途徑。