喷射成形7055铝合金型材的力学性能*

257 编辑：中冶有色技术网来源：乔及森,夏浩,夏天东,赵文军,张涵,段瑞芬

2024-04-19 10:53:02

在喷射成形时高压惰性气体使合金流雾化成的细小熔滴在高速气流带动下飞行并冷却, 在尚未完全凝固前沉积成坯件 20世纪末发展起来的大规模快速成型制坯技术[1-4], 冷却速度达到102-103 K/s 用喷射成形工艺制备的材料, 有元素固溶度大、晶粒细小、组织均匀、偏析程度小等特点 Al-Zn-Mg-Cu系高强度铝合金在航空领域背景下研制并得以迅速发展, 主要应用在大型客机的机翼梁, 机身等高强结构部件上, 是航空工业不可缺少的重要材料[5-11]

7055铝合金是当前实际使用的最高强度铝合金, 其强度为648 MPa 本文研究工业级规格喷射成形7055铝合金铸锭经反向挤压和T76热处理后的组织和性能

1实验方法

实验用7055-T76型材的端面形状为工字型, 长度为14.5米该合金的熔炼温度控制在700-720℃, 熔体经过精炼和除渣后在喷射成形设备上制成直径为312 mm的锭坯, 雾化气体为氮气随后将锭坯进行均匀化热处理, 然后进行反向挤压, 在45MN反向挤压机上使用Φ320 mm挤压筒将Φ312 mm规格铸锭反向挤压, 挤压比达6 最后进行T76热处理(固溶处理)和人工过时效处理该7055铝合金的名义化学成分列于表1

用光学显微镜观察沉积态和挤压型材截面以及挤压面不同区域的显微组织, 用X射线衍射技术(XRD)对组织进行了物相分析研究组织演化规律按照GBT228－2002标准制成圆棒拉伸试样, 横向和纵向各取2件, 端部和尾部各取2件拉伸试验在岛津AG-10TA 型万能材料试验机上上进行, 用JSM-6700F型扫描电镜观察断口形貌及特征

Table 1

表1

表17055铝合金的化学成分 (质量分数, %)

Table 1Chemical composition of 7055 aluminum alloy (%, mass fraction)

Zn	Cu	Mg	Zr	Cr	Mn	Ti	Al
7.6	2.3	2.0	0.15	0.04	0.02	0.06

2 实验结果2.1 喷射成形坯料的显微组织

喷射成形试样的的显微组织, 如图1所示金相组织中晶粒呈等轴状分布, 粒度均匀, 晶粒尺寸主要在20-40 μm 组织中没有明显的宏观偏析, 棒状的沉淀相分布在晶粒内部, 晶界上则析出不连续的条状相与传统铸造铝合金相比, 喷射成形材料大量细小针状的第二相析出分布在晶内, 晶界比较细而且结合相对较好, 析出相的弥散程度高

图1沉积坯料的金相组织

Fig.1Microstructure of as-deposited billet

从沉积态组织SEM照片(图2)可以看出, 虽然喷射成形材料与铸造铝合金相比有组织致密度高, 性能优越, 但是图中不难发现少量的孔隙缺陷, 需要后续的热挤压和热处理以进一步消除孔隙缺陷对喷射成形坯件进行了洛氏硬度测试, 其硬度值达45HRB

图2沉积坯料的SEM照片

Fig.2SEM image of as-deposited billet

2.2 反向挤压+T76热处理态试样的显微组织和物相

由图3可见, 挤压和热处理后硬度从挤压前45HRB提高至挤压后90HRB, 说明材料力学性能有明显的提高微观组织观察发现, 挤压后晶粒呈现纤维拉长, 部分大变形晶粒发生再结晶, 晶粒整体变得更为细小致密, 前期沉积坯料上的孔隙消失, 第二沉淀相主要为MgZn2、Al2Cu和AlCuMg等金属间化合物, 均匀分布在晶内和晶界上, 组织有明显的织构特征

图3挤压后T76态挤压方向和横截面的显微组织

Fig.3Microstructure of as-extruded samples after T76 heat treatment (a) Longitude; (b) Transverse

喷射成形坯料的XRD谱, 如图4、5所示经XRD物相分析得知, 该喷射成形坯料的组织主要由α(Al)和Mg4Zn7以及少量的AlCuMg和Al2CuMg组成而从经过挤压+T76热处理后的XRD谱(图5)可见, 析出了较多的 MgZn2和少量Al2Cu和AlCuMg 可以看出, 沉积态和挤压+热处理态中主要的第二相为MgZn2和AlCuMg相, 固溶处理后第二相溶入基体对比沉积态和挤压后的组织可以看出, 第二相的峰值强度有明显的提高

图4喷射成形坯料的XRD衍射图谱

Fig.4XRD pattern of as-deposited sample

图5挤压+T76态试样的XRD衍射图谱

Fig.5XRD pattern of as-extruded sample after T76 treatment

2.3 合金的EDS能谱分析

图6表明, 根据沉积态EDS点分析, Cu元素在晶内的第二相中含量较高, 在挤压态的横截面和挤压面的线扫描中, Cu元素在晶界上和晶内的第二相中含量也均有提高在高Zn(>6.0%)合金中, Cu元素的作用主要是固溶强化, 不参与时效加入Cu能减少Zn和Mg的溶解度, 因而含Cu合金过饱和程度会更大比起无Cu合金, 在淬火时效中更易分解, Cu能有效改善沉淀物的分布, 有利于机械强度的提高

图6喷射成形坯料第二相SEM形貌、能谱点分析结果、挤压态横截面能谱线扫描分析以及挤压态挤压面线扫描分析

Fig.6SEM analysis of precipitated phase of as-deposited sample (a), spot analysis results of EDS (b), Line scanning analysis on transversal microstructure of as-extruded sample, (c) and Line scanning analysis on longitudinal microstructure of as-extruded sample (d)

2.4 合金的力学性能

挤压型材横截面不同位置处的材料力学性能, 如表2所示 L表示平行于挤压型材的轴向, T表示垂直于挤压型材的轴向 B表示型材头部, Y表示型材尾部所有圆棒拉伸试样均采用Φ6 mm×36 mm的统一尺寸

Table 2

表2

表2挤压型材不同位置处的力学性能

Table 2Mechanical properties in different areas of extrusion profile

No.	sampling	σs/MPa	σb/MPa	δ（%）
B1	T	568	617	10%
B2	T	563	616	8
B3	L	628	675	10.5
B4	L	640	681	13.5
Y1	T	570	590	6.7
Y2	T	565	590	6.5
Y3	L	617	648	7.8
Y4	L	613	638	8.4

由文献[3]可知, 喷射坯料σb比同等情况下铸造性能较优, 经热处理后抗拉强度的提高并不明显热处理后析出的质点阻碍位错运动, 从而提高了强度, 但未能消除喷射成形态组织的孔隙, 因此没有提高塑性, 也不能显著的提高强度而经过热挤压+T76热处理后合金中孔隙缺陷基本消除, 同时挤压组织得到优化本次实验结果表明, 该型材各个位置处的屈服强度均在560 MPa以上, L方向的屈服强度和抗拉强度以及延伸率均高于T方向, 而且B部分的试样力学性能也要高于Y部高达20的挤压比使晶粒严重变形, 在挤压方向上晶粒被平行拉长, 得到变形织构, 表明挤压产生了一定的各向异性

图7挤压+T76热处理试样的横向拉伸断口宏观形貌、横向拉伸断口显微形貌、纵向拉伸断口宏观形貌以及纵向拉伸断口显微倍形貌

Fig.7SEM photographs of tensile fracture surface of as-extruded samples after heat treatment (a) overall morphology of the transversal tensile specimen, (b) high magnification of (a), (c) overall morphology of the longitudinal tensile specimen, (d) high magnification of (c)

2.5 室温拉伸断口形貌观察

图7给出了挤压+T76热处理试样的横向拉伸(垂直于挤压方向)及纵向拉伸(平行于挤压方向)断口SEM图像其中横向拉伸断口呈现出片层状的穿晶断裂台阶, 间具少量韧窝, 总体为较明显的脆性断裂; 纵向断口上分布有大小不均匀韧窝, 并有残余显微颗粒拔出, 表明材料呈现出较好的韧性在浅韧窝中可找到较小的富含Cu元素第二相颗粒造, 横截面方向上的分层现象, 垂直于断裂面, 这与该方向上合金的强度较低有直接的关系, 即在平行于挤压方向上有大角度晶界最终可以看出, 7055铝合金的断裂为晶内韧窝断裂和穿晶解理断裂的混合模式

3 分析与讨论

7055-T76喷射成形铝合金型材采用反向挤压和固溶+过时效的热处理工艺, 材料既能保证与T6态相同的力学性能, 而且具备良好抗应力腐蚀能力喷射沉积[3]从一定程度上消除了铸造合金的粗大的一次相和宏观偏析; 解决了粉末冶金边界上的难溶氧化膜, 得到了各向同性材料实验结果表明, 该7055铝合金型材采用喷射沉积制备坯料具有比成分相同的铸锭和及粉末冶金更好的综合力学性能材料的力学性能参数, 均达到了美国Alcoa公司的7055铝合金的性能标准后续经挤压+T76热处理大幅提高了材料的强度, σb达到了670 Mpa, 同时减少了该工艺中易于产生的孔隙和冷粉等缺陷, 保证了较好的拉伸性能在挤压件的顶部与底部均截取了拉伸试样, 由于底部是喷射成形的初始沉积区, 初始沉积时冷却速度和致密度低, 还没有进入稳态喷射成形阶段, 因此与整个挤压件相比, 底部性能较差这与实验所获得的力学性能数据相吻合

本文制备的喷射成形7055铝合金型材的屈服强度比7150和7075均高出几十MPa, 表明用高纯铝锭严格控制杂质元素Fe, Si含量可得到性能的优越的铝合金坯料杂质Fe , Si可降低合金的强度和伸长率, 影响合金的断裂韧性

7055铝合金的主要强化相时效析出过程为: α过饱和固溶体—GP区—η′相—η相—T 时效组织中预沉淀相GP区和过渡相使合金获得最大强化效果在固溶和过时效处理后大的析出物与细小的弥散粒子同时析出, 弥散大粒子起再结晶形核质点的作用, 弥散小粒子降低晶粒生长速度, 大小粒子的均匀分布提高晶粒尺寸的稳定性, 有益于提高材料的伸长率

4 结论

1. 喷射成形7055铝合金具有均匀致密的合金组织和良好的力学性能, 显著高于传统铸造铝合金

2. 固溶析出第二相颗粒在晶粒和晶界上均匀分布, Cu元素在晶内的第二相和晶界上的分布含量较高

3. 该型材纵向的力学性能优于横向, 型材端部及中部材料力学性能优于尾部

4. 经过挤压和T76热处理后, 该7055铝合金大规格型材产品σb能达到690 MPa, 延伸率可达10%

5. 7055铝合金的断裂为晶内韧窝断裂和穿晶断裂的混合模式