7050 鋁合金的力學性能及其電導率

文/馬斌，肖挺，宣航·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

7050 鋁合金是美國Alcoa 公司20 世紀70 年代研制的Al-Zn-Mg-Cu 合金的一種，通過調(diào)控7075 鋁合金成分發(fā)展而來。7050 鋁合金中的Zn 和Mg 可形成時效強化效果很強的MgZn2相，該相是高強度鋁合金的主要強化相，使7050 鋁合金強度大大提高；Cu 能降低晶界與晶內(nèi)電位差，抑制其沿晶開裂趨勢，且Cu 能擴大G.P.區(qū)穩(wěn)定溫度范圍，合金不易發(fā)生過時效；Zr 對提高合金的再結(jié)晶溫度、細化晶粒有良好的效果，而且Zr 可保持Zn、Mg、Cu在固溶體中的穩(wěn)定性，顯著降低7050 鋁合金的淬火敏感性。

目前，7050 鋁合金材料經(jīng)熱處理后，材料的性能很難達到穩(wěn)定的技術(shù)水平，實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)電導率不合格，電導率與強度及應力腐蝕敏感因子無法匹配。因此，尋找熱處理過程對電導率的影響因素，鍛件電導率與其他性能的匹配情況非常有意義。

應用材料及試驗方法

⑴本文應用美國肯連的7050 鋁合金方料，其標準化學成分如表1 所示。

表1 7050 鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

⑵鍛件尺寸。鍛件尺寸及有效厚度見表2。

表2 鍛件尺寸及有效厚度

⑶熱處理制度如表3 所示，熱處理過程使用設備精度為±3℃。

表3 7050 鋁合金T7452 熱處理制度

本文為研究上述問題，立足生產(chǎn)，設計四組試驗方案，鍛件A 和鍛件B 熱處理制度是固溶溫度改變，其余均參數(shù)不變；鍛件B、鍛件C 和鍛件D 的熱處理制度是二級時效時間依次延長2h，其余參數(shù)不變。

試驗結(jié)果與分析

四種熱處理制度對鍛件電導率的影響

7050 鋁合金的電導率在固溶、時效過程主要受合金的合金化程度、基體再結(jié)晶及溶質(zhì)的析出影響。本文采用四種熱處理制度對鍛件進行處理，每件鍛件分別選取5 點位置用渦流式電導儀測量電導率，如表4 所示。

表4 四組鍛件的電導率/(mS/m)

在鋁合金固溶處理的過程中，主要發(fā)生兩個過程，分別是過剩相的溶解和基體的再結(jié)晶，這也是固溶處理過程對電導率影響的主要因素。過剩相的溶解是使溶質(zhì)原子最大程度的溶入到基體中，形成過飽和固溶體，為時效過程中的強化相的析出做準備。7050鋁合金的合金元素含量高，內(nèi)部組織較為復雜，合金中共晶相種類繁多。較常見的有T(AlZnMgCu)、S(Al2CuMg)、η(MgZn2)和Al7Cu2Fe。根據(jù)文獻介紹，固溶溫度為471℃時，T 相部分融入基體，但基體中仍有少量S相；477℃固溶時，合金中仍能檢測到S相。在一定范圍內(nèi)，隨著固溶溫度升高，鍛件固溶程度增大。當固溶溫度從471℃上升到477℃時，變形組織減少，再結(jié)晶組織增多，且固溶溫度越高，其合金再結(jié)晶百分數(shù)增加越快，此時再結(jié)晶對電導率的影響大于溶質(zhì)原子固溶到基體的影響。

對比鍛件B 和鍛件A 的電導率，發(fā)現(xiàn)固溶溫度從471℃上升到477℃，電導率是升高的。這是由于固溶溫度越高，其再結(jié)晶百分數(shù)增大較快，此時再結(jié)晶對合金電導率影響大于溶質(zhì)原子固溶到基體的影響，電導率增大。

對比鍛件B、C、D 的電導率可以發(fā)現(xiàn)，隨著二次時效時間延長，鍛件電導率依次提高。這是由于時效處理是控制鍛件性能的關(guān)鍵熱處理工序。7050 鋁合金雙級時效過程中，其析出序列為：過飽和固溶體→G.P.區(qū)→η'相→η 相。二級時效時，尺寸較大的G.P.區(qū)向η'相轉(zhuǎn)化，隨著二級時效時間延長，G.P.區(qū)含量降低，η'相含量增多，同時強度下降，電導率上升。

四種熱處理制度對鍛件室拉性能影響

經(jīng)四種熱處理制度處理的7050 鋁合金大鍛件室拉性能見表5。

表5 鍛件A、B、C、D 的室拉性能

對比A、B 兩件鍛件的室拉數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)固溶溫度從471℃上升到477℃后，鍛件強度降低20MPa左右。這是由于7050 鋁合金在這個溫度范圍內(nèi)，再結(jié)晶的影響起主導作用，而再結(jié)晶的過程并不完全是晶粒細化的過程，由于時效溫度遠遠低于固溶處理溫度，固溶后合金的晶粒形貌及位錯組態(tài)在時效過程中可能變化較弱，因此若固溶處理后再結(jié)晶組織百分數(shù)較高，將會使得材料中位錯密度降低，從而使合金的強度降低。其中固溶溫度為471℃的B 鍛件的橫向屈服強度過高，會影響鍛件應力腐蝕敏感因子[長橫向(LT)屈服強度-12×電導率]，通常情況下橫向屈服強度大于490MPa，應力腐蝕敏感因子不合格。

再對比鍛件B、C、D 的室拉數(shù)據(jù)，隨著二級時效時間的延長，鍛件的強度是下降的趨勢。但鍛件D的強度已經(jīng)壓線，沒有余量，容易出現(xiàn)不合格情況。二級時效過程中，大于臨界尺寸的G.P.區(qū)含量增多，進而形成η'相，合金發(fā)生過時效，合金強度下降。

鍛件電導率與強度及應力腐蝕敏感因子對應關(guān)系

由于電導率具有測試快、無損和簡便的優(yōu)點，所以，實際生產(chǎn)中可以通過電導率來推測合金的某些力學性能。通過整理匯總以往生產(chǎn)過程的性能數(shù)據(jù)，現(xiàn)將電導率范圍對應的強度性能數(shù)據(jù)情況整理到表6。

表6 強度與電導率數(shù)據(jù)匯總

從表6 可以發(fā)現(xiàn)電導率及強度、應力腐蝕敏感因子性能的匹配關(guān)系，對于強度要求高的鍛件，可以將鍛件電導率控制在22.5 ～24.5mS/m范圍內(nèi)，對于應力腐蝕因子有要求的鍛件，電導率控制在22.5 ～23.5mS/m 范圍內(nèi)，鍛件的強度及應力腐蝕因子均能符合標準要求。

7050 鋁合金，隨著二級時效時間延長，晶內(nèi)析出的η(MgZn2)平衡相更均勻，且晶界析出相不連續(xù)化、粗大化，晶界與基體之間由于電位差引起的電化學腐蝕降低，從而提高了7050 鋁合金的抗剝落腐蝕性能。由于隨二級時效時間延長，電導率也是提高的，所以在日常生產(chǎn)過程中，在滿足強度要求的情況下，可以通過控制稍微偏高的電導率來滿足鍛件較好的抗剝落腐蝕性能。

雖然現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鋁合金的電導率與其部分力學性能有關(guān)聯(lián)，但還不是十分清楚有些關(guān)聯(lián)的內(nèi)在聯(lián)系。因此，還需要大量實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)來分析總結(jié)。

結(jié)論

⑴固溶溫度從471℃升高到477℃時，鍛件的強度降低，電導率升高。

⑵隨著二級時效時間延長，鍛件的強度降低，電導率增大，抗剝落腐蝕性能提高。

⑶電導率控制在22.5 ～23.5mS/m 范圍內(nèi)時，可以同時滿足鍛件對強度及應力腐蝕敏感因子的要求。

⑷實際生產(chǎn)過程中可以通過電導率來推測鍛件力學性能。