1、文章編號1004-0609(200006-0819-047075和2024鋁合金的固溶組織與力學(xué)性能陳康華,劉允中,劉紅衛(wèi)(中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙410083摘要研究了升溫固溶處理對提高7075和2024鋁合金的結(jié)晶相固溶程度和力學(xué)性能的影響。升溫固溶可使最終固溶溫度超過多相共晶溫度而不產(chǎn)生過燒組織,提高結(jié)晶相固溶程度。7075合金的結(jié)晶相較2024合金的易于固溶。兩種合金的力學(xué)性能與固溶程度密切相關(guān)。強(qiáng)化固溶的7075合金強(qiáng)度提高約20%,斷裂和屈服強(qiáng)度可達(dá)660MPa和606MPa,其性能提高的幅度大于強(qiáng)化固溶的2024合金。關(guān)鍵詞鋁合金;熱處理;固溶;力學(xué)性能;第二相中

2、圖分類號TG249.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼A航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求鋁合金具有更高強(qiáng)度、韌性、耐蝕性、抗疲勞性等綜合性能。近年來,調(diào)整合金成分、提高純度、發(fā)展新的熱處理規(guī)范、精確調(diào)控合金的組織結(jié)構(gòu),成為發(fā)展高性能鋁合金的重要方向1,2。高強(qiáng)鋁合金的組織特征為固溶體基體上分布著不同尺度的第二相顆粒,其中有結(jié)晶形成的尺度在微米級以上的粗大化合物顆粒,凝固后高溫沉淀的尺度在微米以下的化合物顆粒和時(shí)效析出的尺度在0.1m以下的化合物微粒3。細(xì)小的時(shí)效析出相對鋁合金基體的強(qiáng)化起主要作用,而粗大脆性第二相顆粒對基體無強(qiáng)化作用且是應(yīng)力集中和裂紋萌生之處,對鋁合金的斷裂韌性、疲勞性能和應(yīng)力腐蝕開裂均有顯著影響3

3、,4。如何減少粗大結(jié)晶相顆粒是發(fā)展高性能鋁合金首先需要解決的問題。合金元素和雜質(zhì)元素含量超過在鋁中的極限固溶度即導(dǎo)致粗大的化合物結(jié)晶顆粒。因此,合金成分和純度對其性能的影響一直為人們所關(guān)注,已累積了大量研究工作1,3,4。事實(shí)上,粗大化合物結(jié)晶相的形成還與凝固過程有關(guān)。通常合金凝固呈現(xiàn)非平衡特征,即使在平衡狀態(tài)下處于單相區(qū)的固溶體合金,也因非平衡凝固在最終凝固區(qū)域(即晶界處出現(xiàn)粗大的化合物結(jié)晶相5,6。這類粗大結(jié)晶相原則上可通過熱處理固溶進(jìn)入基體。顯然,通過強(qiáng)化固溶過程,將這類非平衡凝固形成的多相組織盡可能徹底轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w組織,充分發(fā)揮合金元素的有益作用,無疑是提高合金力學(xué)性能的有效途徑。目前

4、人們對熱處理工藝的研究與發(fā)展主要集中在時(shí)效方面2,710,對固溶過程的研究還很少5,11,12。鋁合金的固溶應(yīng)避免過渡液相出現(xiàn)所導(dǎo)致的晶界弱化等組織過燒現(xiàn)象。因此,在固溶溫度有特定限制的情況下,對不同體系合金如何提高固溶程度和固溶速度是值得深入研究的問題。作者通過7075和2024兩類合金固溶處理的研究,初步揭示了固溶程度對合金力學(xué)性能的影響并提出了強(qiáng)化固溶的途徑。1實(shí)驗(yàn)方法1.1合金的熔煉與鑄造7075合金按名義成分Al25.6Zn22.5Mg21.6Cu2 0.23Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%配料,2024合金按名義成分Al24.4Cu21.5Mg20.6Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%配料。其中合金元素Cu,M

5、n,Cr以中間合金形式加入。7075合金的熔煉溫度控制在700740,2024合金的熔煉溫度控制在700740。采用0.2%0.4%六氯乙烷(C2Cl6精煉,靜置1015min后澆入直徑45mm的鐵模中。1.2鑄錠的均勻化處理在傳統(tǒng)的常規(guī)均勻化工藝基礎(chǔ)上,采用強(qiáng)化均勻化。對于7075合金,先在462保溫24h,再以0.5/h的升溫速度升至470,然后空冷。對于2024合金,則先在485保溫12h,再以0.66/h 的升溫速度升到495,然后空冷。第10卷第6期Vol.10No.6中國有色金屬學(xué)報(bào)The Chinese Journal of N onferrous Metals2000年12月D

6、ec.2000基金項(xiàng)目國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G1999064900;高等學(xué)校骨干教師資助項(xiàng)目收稿日期2000-02-15;修訂日期2000-07-24作者簡介陳康華(1962-,男,教授,博士. 1.3熱擠壓擠壓變形在500t 壓機(jī)上進(jìn)行,擠壓前鑄錠預(yù)熱溫度為400430,擠壓模直徑為45mm ,擠壓嘴直徑為15mm ,變形系數(shù)為9,適當(dāng)控制擠壓速度以保證變形組織的均勻性。1.4擠壓變形組織的強(qiáng)化固溶及時(shí)效處理分別采用常規(guī)固溶和強(qiáng)化固溶兩種處理制度。對于7075合金,常規(guī)固溶:466保溫2h ;強(qiáng)化固溶:466保溫2h 后,再以4/h 升溫至476,室溫水淬。淬火后立即進(jìn)行T6人工時(shí)效

7、,即120保溫24h 。對于2024合金,常規(guī)固溶:493保溫2h ;強(qiáng)化固溶處理:先在493保溫2h ,然后以6/h 升溫至506,室溫水淬,再立即進(jìn)行T6人工時(shí)效,即191保溫12h 。1.5組織觀察與力學(xué)性能測試用光學(xué)顯微鏡觀察鑄錠均勻化前后以及擠壓態(tài)固溶后再時(shí)效的顯微組織特征,并用Instron 8032萬能電子拉伸儀檢測合金的強(qiáng)度和延伸率。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.17075合金固溶組織特征及對力學(xué)性能的影響 如圖1(a 所示,鑄態(tài)7075合金的晶內(nèi)、晶界處均存在較多的粗大第二相,尤其是沿晶界處連續(xù)分布著共晶組織。共晶化合物相為S (CuMgAl 2和T (AlZnMgCu 6。這種共晶相嚴(yán)重影

8、響合金的強(qiáng)度和塑性。經(jīng)過高溫長時(shí)間強(qiáng)化均勻化處理,第二相的數(shù)量、尺寸有所減少,但共晶相仍只能部分溶入基體(見圖1(b 。均勻化處理后的鑄坯經(jīng)熱擠壓變形后,采用7075合金常規(guī)的固溶條件處理,仍保留了部分粗大第二相粒子,如圖1(c 所示。這說明常規(guī)條件下7075合金的均勻化和固溶處理是不徹底的。在常規(guī)固溶處理的基礎(chǔ)上,逐步升溫固溶,直至超過多相共晶溫度(47513。從圖1(d 可見,升溫固溶的合金中絕大部分粗大的第二相已溶入(Al 基體,且無形成過渡液相和過燒組織的跡象。這說明傳統(tǒng)的固溶溫度極限多相共晶點(diǎn)是可以突破的,這為提高鋁合金共晶相的固溶程度提供了簡易方法。從表1可見,采用強(qiáng)化均勻化和強(qiáng)化

9、固溶處理后,7075合金的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有較大幅度的提高,同時(shí)仍能保持延伸率基本不變。通過比較可知,固溶程度的提高和固溶組織的改善是提高力學(xué)性能的根本原因。2.22024合金固溶組織特征及對力學(xué)性能的影響如圖2(a 所示,由于非平衡凝固,2024合金鑄態(tài)組織中有大量的共晶沿晶界分布,其中共晶化合物相分別為S 相和相6。要提高該合金的力學(xué)性能,必須盡可能地將S 相和相溶入(Al 基體中。從圖2(b 可見,經(jīng)過常規(guī)均勻化處理后,晶界和晶 圖17075合金的顯微組織Fig.1Microstructures of 7075alloys(a As 2cast ;(b Enhanced homoge

10、nization treated ;(c G eneral solution and T6age treated ;(d Enhanced solution and T6age treated028中國有色金屬學(xué)報(bào)2000年12月 圖22024合金的顯微組織Fig.2Microstructures of 2024alloys(a As 2cast ;(b G eneral homogenization treated ;(c Enhanced homogenization treated ;(d G eneral solution and T6age treated ;(e Enhanced

11、solution and T6age treated表1強(qiáng)化固溶對7075合金力學(xué)性能的影響T able 1Effect of enhanced solution heat treatment on mechanical properties of 7075alloySolution heat treatmentb /MPa0.2/MPa/%G eneral solution 60552313.6Enhanced solution 66960610.1G eneral solution(US standard 1457250311內(nèi)仍有大量粗大的第二相。而經(jīng)強(qiáng)化均勻化處理的組織中第二相尺寸有所

12、減小,但數(shù)量仍很多(見圖2(c 。對熱擠壓棒作不同程度的固溶處理,通過比較可見,強(qiáng)化固溶相對于常規(guī)固溶,其顯微組織中粗大的第二相尺寸減小,數(shù)量也有所減少,如圖2(d 和圖2(e 所示,但仍有部分粗大的第二相未溶入。與7075合金相比,2024合金中第二相的固溶不易完全。與此相對應(yīng),經(jīng)強(qiáng)化固溶處理的2024合金的力學(xué)性能比常規(guī)處理有所改善,但提高的幅度較小,如表2所示。表2強(qiáng)化固溶對2024合金力學(xué)性能的影響T able 2Effect of strengthening solution onmechanical properties of 2024alloySolution heat trea

13、tmentb /MPa0.2/MPa/%G eneral solution 42233110.3Enhanced solution43634710.13分析與討論將7075合金固溶組織與力學(xué)性能相對照,可見該合金的力學(xué)性能與固溶程度密切相關(guān)。粗大的第二相顆粒完全溶入基體中,既消除了大尺度的斷裂源,同時(shí)也增加了析出強(qiáng)化相的數(shù)量,這必然導(dǎo)致合金力學(xué)性能的顯著提高。經(jīng)強(qiáng)化固溶處理的2024合金組織與常規(guī)固溶相比,雖然粗大第二相的數(shù)量有所減少,但仍未能完全固溶,即這類大尺度的斷裂源并未消除,以致強(qiáng)化固溶后2024合金的性能改善幅度較7075合金小。因此,強(qiáng)化粗大第二相的固溶使之完全溶解是優(yōu)化合金性能的

14、方向。如前所述,由于非平衡凝固,鋁合金的鑄態(tài)組織大多在晶界處存在共晶。從相圖13可見,7075合金在共晶溫度時(shí)處于單相固溶區(qū)內(nèi),其成分遠(yuǎn)離極限溶解度曲面,因此非平衡凝固過程形成的共晶數(shù)量較少。此外,由于7075合金的平衡初熔溫度遠(yuǎn)高于共晶溫度,在逐步升溫強(qiáng)化固溶過程中T 相先溶入基體5,6,從而使得最終固溶溫度可明顯超過多相共晶溫度。從相圖6可見,2024合金成分接近極限溶解度曲面,非平衡凝固所形成的低熔共晶相(Al +共晶和(Al +S 共晶數(shù)量較多,并且平衡初熔溫度接近四相共晶溫度,固溶溫度不能明顯超過多相共晶溫度。此外,相因含較多的銅,比S 相和T 相難溶5。這兩方面因素決定128第10

15、卷第6期陳康華,等:7075和2024鋁合金的固溶組織與力學(xué)性能了7075合金較2024合金易完成固溶處理。根據(jù)以上的分析,為強(qiáng)化固溶過程,對7075合金可采用高溫固溶制度,而對2024合金宜采用延時(shí)固溶制度。REFERENCES1Imamura T.Current status and trend of applicable mate 2rial technology for aerospace structure J .Journal of Japan Institute of Light Metals ,1999,49(7:302-309.2Lukasak D A and Hart R

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