Multi-level homogenization technology of 7055 aluminum alloy
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摘要: 采用中频炉熔炼7055铝合金, 用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪和万能拉伸机等方法研究多级均匀化工艺对7055铝合金显微组织及力学性能的影响.结果表明:未经均匀化处理的7055铝合金铸锭存在着严重的组织偏析, 合金经470 ℃×30 h单极均匀化处理后, 晶界上的非平衡相有所减少, 已形成不连续分布, 成分偏析得到改善; 在单极均匀化基础上增加410 ℃×4 h的中间保温, 均匀化效果更好, 非平衡相的溶解数量增多, 晶界更为平直, 且形状规整; 而经250 ℃×4 h+410 ℃×4 h+470 ℃×30 h三级均匀化处理后, 消除了铸锭晶界上的非平衡凝固共晶组织, 晶界呈线条状.经时效处理后, 其力学性能较优.Abstract: The effects of multi-stage homogenization on the microstructures and ultimate mechanical properties of aluminum alloy 7055 were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy, EDS and tensile test using intermediate frequency furnace smelting of aluminum alloy 7055. The results show that aluminum alloy 7055 ingots with no multi-stage homogenization treatment exists serious dendritic segregation. After 30 h single stage homogenization treatment at 470 ℃, the non-equilibrium phase on the grain boundaries decreases by forming discontinuous distribution and composition segregation improvement. The homogenization improves and the number of non-equilibrium phase increases with additional intermediate insulation at 410 ℃ for 4 h. The grain boundary shape is more regular. The third stage homogenization treatment, which is composed of isothermal heating at 250 ℃ for 4 h, then heated to 410 ℃ for 4 h and 470 ℃ for 30 h, greatly eliminates the non-equilibrium solidified eutectic on the grain boundaries. The mechanical properties are the best after aging.
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Keywords:
- aluminium alloy /
- homogenization /
- microscopic structure /
- heat treatment
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7XXX系铝合金是一种可热处理强化的合金，通过选择合理的热处理工艺可以很好地改善合金的组织并提高材料的硬度、强度和断裂韧性，扩展其使用范围[1-3].超高强铝合金成分复杂，合金元素总量高，元素间比重相差较大，而工业生产为追求生产效率，往往采取速浇、快冷的方法来生产铸锭，使铸锭容易出现严重的枝晶偏析、成分不均和产生内应力等问题.同时富集在晶界和枝晶臂上的金属间化合物严重影响着合金的热加工性能，降低合金的热塑性[4].为解决以上问题，超高强铝合金在热加工前必须进行均匀化处理.针对Cu、Zn、Mg含量高且难扩散的特点，研究了均匀化工艺对7055铝合金力学性能的影响.
1 实验
实验所用的7055合金为实验室自行制备, 合金成分见表 1.配料采用高纯铝、Al-10 %Cu中间合金、工业纯镁、工业纯锌以及Mg-30 %Zr中间合金，覆盖剂为复合盐，采用六氯乙烷进行除气精炼.合金在中频炉内熔炼，熔炼温度为800 ℃左右，除气精炼后，静置5~8 min进行浇铸，浇铸温度为750 ℃左右.采用铁模铸造，浇铸的锭坯为30 mm厚.铸锭经铣面后，切割成80 mm×50 mm×15 mm的块状样进行均匀化处理，确定最佳均匀化处理工艺后，再进行固溶和时效处理.热处理制度见表 2所示.实验采用带有强制热风循环系统的电阻炉，均匀化后样品直接水淬，以保留均匀化态组织.经均匀化的铸锭从厚度15 mm热轧至8 mm，再冷轧至2 mm.从轧板上切取标准拉伸样，试样经过热处理后在万能材料力学拉伸机上进行拉伸.采用光学显微镜、XL30W/TMP型扫描电子显微镜等对样品进行显微组织观察.
表 1 7055合金实际成分表/wt%
表 2 热处理制度
2 实验结果与分析
2.1 金相显微组织
图 1为合金铸态以及经均匀化处理的显微金相组织.
从图 1(a)中可以看出，未经均匀化处理的7055铝合金铸锭存在着严重的组织偏析，在晶界和枝晶网络间形成低熔点共晶组织和其他金属间化合物，这些非平衡相周围势必会形成无沉淀析出区，同时晶界粗大不利于后续加工[5-7].试样经A、B、C 3种均匀化制度处理后，有所改善，表现为：经A制度均匀化处理后，如图 1(b)所示，晶界上的非平衡相有所减少，已形成不连续分布，成分偏析得到改善，但均匀化效果还是不够理想；在单级时效的基础上增加一段中温保温的B制度均匀化处理方式(图 1(c))，均匀化效果更好，非平衡相的溶解数量增多，晶界更为平直，且形状规整；而经C制度均匀化处理后(图 1(d))，在试样晶界基本上看不到非平衡共晶组织，晶界基本上呈线条状，最大程度地消除了组织偏析的问题.总之，由于铸锭浇铸时冷却速度过快而导致的锌、镁、铜元素在晶界和枝晶间的偏聚，在均匀化处理后这些元素在晶内和晶界得以充分地扩散，消除了组织偏析，值得注意的是三级均匀化较前两种均匀化制度，效果更为显著，基本上消除了晶界和晶内的偏析，宏观组织得到改善.
2.2 SEM和EDS结果
图 2为经A制度均匀化处理后的EDS分析结果.经均匀化处理后，在晶界上存留下来的主要有层片状的非平衡共晶组织，这种层片组织为S (CuMgAl2)和α(Al)共晶.而亮白色的为含铁的杂质相，这种杂质相需要在更高的温度下才能溶解.图 3(a)为经B制度均匀化处理的SEM照片，图 3(b)为经C制度均匀化处理的SEM照片，此时片层状的非平衡相已几乎溶解殆尽，亮白色的含铁杂质相也逐渐溶解，但较图 2(a)已经少了很多，存留下来的基本上是难熔含铁相了.照片中的凹坑为试样在磨制时因硬脆相掉落留下的.
2.3 固溶和时效处理后的力学性能
上述试样经过450 ℃×120 min+470 ℃×60 min固溶处理和125 ℃×24 h峰时效处理的力学性能见图 4所示.
由图 4可知，经均匀化处理后的试样，其抗拉强度、延伸率较未经均匀化处理的试样均有所提高，所不同的是：B处理后的延伸率较其他两者偏低.抗拉强度和硬度沿相同的趋势在变化，呈增长的趋势.Al-Zn-Mg-Cu系合金的主要强化相为与基体半共格的η’和与基体非共格的η相[8-11].这两种相主要是由Mg、Zn 2种合金元素组成，合金的强度主要是受时效时这2种相的尺寸、强度、弥散程度以及粒子形态影响[12-13].O和C制度下试样金相见图 5所示.由图 5可知，未经均匀化处理过的试样，其晶内析出的强化相较少，分布不均，并伴有聚集分布的现象，强化相粒子多分布在晶界上，这样的组织对强度的提高不大.经三级均匀化处理的试样，其晶内的第二相分布均匀、弥散，晶界分布较少.经过均匀化处理的试样，由于合金元素得以扩散，减少了非平衡共晶相和T相的存在.一方面，减少了在拉伸过程中应力在这两种相上的集中，延伸率得以提高；另一方面，非平衡共晶相和T相的减少，就有更多的合金元素形成η’相和η相，时效过程中析出的数量越多，同时，均匀化后，合金元素分布越均匀，析出相的分布也越弥散.在拉伸过程中，位错遇到η’相和η相时主要是采取切割的方式来移动[14-15].在A、B、C 3种均匀化制度中，C制度能使合金元素得到充分扩散，分布均匀，经时效处理后，析出的第二相也就越多，且越弥散，同时稀少的残留相减少了试样在拉伸过程中的应力集中，试样的力学性能较优.
3 结论
(1)7055铝合金铸锭存在着严重偏析，粗大的非平衡共晶组织严重影响着合金的后续加工，经250 ℃×4 h+410 ℃×4 h+470 ℃×30 h三级均匀化退火后，合金组织均匀化程度最高，非平衡相基本固溶，晶界窄化且有规律.
(2)均匀化和时效处理后的金相结果可知，未经均匀化处理的试样, 时效后析出相聚集，不均匀析出；经250 ℃×4 h+410 ℃×4 h+470 ℃×30 h三级均匀化加125 ℃×24 h峰时效处理的试样，其强化相的析出均匀且弥散分布，析出数量较多.
(3)经250 ℃×4 h+410 ℃×4 h+470 ℃×30 h三级均匀化的试样，其力学性能较410 ℃×4 h+470 ℃×30 h双级均匀化和470 ℃×30 h单级均匀化都较好，抗拉强度(σb)和延伸率δ分别达到572 MPa和8.3 %.
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