喷射成形7055铝合金锻件的高温力学性能

商海东，周小军，王飞，杨欧阳，蒋云泽，张捷，张豪



喷射成形7055铝合金锻件的高温力学性能

商海东1，周小军2，王飞1，杨欧阳1，蒋云泽2，张捷2，张豪2

(1. 贵州新安航空机械有限责任公司，安顺 561000；2. 江苏豪然喷射成形合金有限公司，镇江 212009)

对喷射成形7055铝合金挤压棒材进行自由锻造及T74热处理(450 ℃/3 h+475 ℃/3 h固溶，120 ℃/8 h+160 ℃/24 h时效)，然后分别在室温下、以及加热到100，125，150，175和200 ℃下保温30 min后进行拉伸试验，待试样冷却到室温后，测定其电导率，观察其金相组织与拉伸断口形貌，研究7055铝合金锻件的室温与高温力学性能以及温度对合金组织的影响。结果表明，热处理后的7055铝合金锻件组织均匀、晶粒细小，并且具有较好的高温稳定性。合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为632 MPa和607 MPa，伸长率为14.5%。随温度从100 ℃升高到150 ℃，合金电导率基本不变，合金的强度小幅下降；当加热温度从150 ℃升高到200 ℃时，电导率显著降低，强度大幅下降。合金的伸长率随温度升高而提高。在200 ℃下合金的抗拉强度和屈服强度分别为349 MPa和335 MPa，伸长率为20%。在100~200 ℃温度范围内表现出塑韧性断裂特征。

喷射成形；7055铝合金；锻件；高温力学性能；电导率；拉伸断口；韧窝组织

7055合金属于Al-Zn-Mg-Cu(7000)系变形铝合金，是目前已成熟应用的强度最高、综合性能最好的超高强度铝合金，俗称“王牌铝合金”。美国在1991年2月登记注册了7055铝合金，Alcoa公司生产的7055-T77合金板材集高强、高韧、抗蚀于一体[1]。该合金主要应用于大中型客机及战斗机的机翼壁板、机翼长桁、座椅滑轨、地板梁等关键承力结构[2−3]。目前生产7055铝合金的方法主要是半连续铸造，先铸造成锭坯，再将铸锭进行塑性加工成型。但由于7055的合金元素含量较高，导致铸坯中存在宏观偏析严重、未溶共晶相粗大以及发达的枝晶组织和枝晶偏析等问题，这些问题限制了铸锭的三维规格，降低了其塑性加工性能和力学性能[4]。喷射成形技术具有快速凝固的特点，采用该技术制备的7055合金成分均匀、无宏观偏析、组织细小，且第二相细小，因而合金强度高，综合性能优异，并且可生产三维大规格尺寸锭坯[5]。喷射成形7055铝合金已用于飞机机轮[6]，飞机刹车制动过程中铝合金轮毂的瞬时高温达到150~200 ℃[7]；在用于舰船甲板、热带沙漠等环境时极端高温达到70~100 ℃。因此需要尽快掌握喷射成形7055铝合金锻件在上述高温工况下的力学性能以指导应用。经过文献检索，目前没有7055铝合金锻件高温力学性能研究的报道，本文作者针对T74热处理后的喷射成形7055铝合金锻件，研究其室温与100~200 ℃高温下的拉伸性能，并通过电导率测试、金相组织与断口形貌的观察与分析，研究该合金的高温力学性能变化机理，以期为喷射成形7055铝合金在较高温度(100~200 ℃)下的应用提供设计参考。

1 实验

直径为485 mm的喷射成形7055铝合金圆锭由江苏豪然喷射成形合金有限公司生产，主要化学成分为Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu，详细成分见《GB/T3190—2008变形铝及铝合金化学成分》。热处理炉为丹阳宏皓工业炉有限公司生产的DL09−1208型淬火炉和DL09− 1198型实效炉。

将喷射成形7055铝合金圆锭，在西南铝8000吨卧式挤压机上挤压成直径为110 mm的棒材，然后采用自由锻造方式，将挤压棒材单道次锻压成长方体锻件，锻造设备为天津第二锻压机床厂生产的3000吨四柱油压机，锻造温度为440±10 ℃；之后对锻件进行T74热处理，详细制度为双级固溶(450 ℃/3 h+475 ℃/3 h)加双级时效(120 ℃/8 h+160 ℃/24 h)；热处理结束后统一沿长度方向(纵向)切取试样，根据《GBT4338金属材料高温拉伸试验方法》加工成标准试棒，在进口德国DOLI公司的DDL100电子万能试验机上测试其在100，125，150，175和200 ℃温度下的拉伸性能，将试样加热到规定温度后保温30 min，然后进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min；同时将未加热的试样在25 ℃温度下进行拉伸试验，测定其室温拉伸性能。拉伸试验结束后，待试样冷却至室温，采用厦门鑫博特科技有限公司生产的D60K数字金属电导率测试仪测定其电导率，测试方法执行《GB/T12966—91 铝合金电导率涡流测试方法》。之后采用德国蔡司JEM-2100F场发射扫描电镜观察拉伸断口形貌；从拉伸后的试样上切割制取金相试样，在由95 mL H2O＋1 mL HF＋1.5 mL HCl＋2.5 mL HNO3的混合液中浸蚀8~15 s，然后在蔡司Observer. Z1m金相显微镜上观察金相组织。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图1所示为热处理后的7055锻件在100，125，150，175和200 ℃以及25 ℃下进行拉伸试验的拉伸性能。由图1(a)可看出，合金在25 ℃下的抗拉强度和屈服强度分别为632 MPa和607 MPa，在100~200 ℃温度范围内合金的抗拉强度随温度升高而下降，在100~150 ℃区间内强度下降的幅度较小，而当温度高于150 ℃时加速下降。在200 ℃下7055合金的抗拉强度和屈服强度分别为349 MPa和335 MPa，相比航空机轮常用的LD10铝合金抗拉强度(294 MPa)和屈服强度(226 MPa)分别提高18.7%和48.2%[8]。由图1(b)看出，随温度升高，合金的断后伸长率和断面收缩率都升高。伸长率从室温的14.5%升高到200 ℃的20%，断面收缩率从室温的40%升高到200 ℃的69%，而且在125 ℃以后断面收缩率升高加速。

图1 喷射成形7055合金锻件在不同温度下的拉伸性能

图2所示为拉断试棒的宏观照片，图中是将拉断试棒断口相对拼接在一起拍摄。由图可见随温度升高，试棒断口处颈缩越来越严重，与断面收缩率数值变化对应。

图2 7055铝合金在不同温度下拉断时宏观照片

2.2 电导率

电导率作为非破坏式的方法可检测铝合金的热处理工艺执行情况，也可用来反映铝合金的力学性能及抗腐蚀性能等，是国内外铝合金工业广泛应用的检测方法[9−10]。对于化学成分确定的时效强化铝合金，合金的微观组织与电导率、硬度、抗蚀性能等具有一定的对应关系[11]。随时效过程的进行(温度升高或时间延长)，淬火得到的过饱和固溶体逐步析出溶质原子(形成G.P.区、过渡相和稳定相等强化相)，使合金的晶格畸变程度降低，内应力减小，从而使电子运动变得容易，合金的强度和电导率均增大。时效温度越高或时效时间越长，强化相析出越充分，合金的电导率越高(但强度则不一定，时效到一定程度后，合金的强度呈下降趋势。也就是说时效初期合金的强度和电导率变化趋势相似，时效后期二者的变化趋势相反)[11]。反过来说，对于同一种时效处理的铝合金，在其它条件相同的情况下，电导率越高，表明其强化相的析出程度越高。

图3所示为不同温度下拉伸试验后试样冷却至室温时的电导率。由图看出，拉伸试验温度不超过150 ℃时，随试验温度升高，电导率基本不变，在38.5~ 38.7%IACS之间。当拉伸温度≥175 ℃后，随温度升高，电导率加速上升，175 ℃时为39.1%IACS，至200 ℃时上升到42.6%IACS。由此判断经过热处理的喷射成形7055铝合金锻件在150 ℃以下保温30 min，其微观组织基本没有变化。当高于175 ℃温度下保温30 min，微观组织发生较明显的变化。研究表明，Al-Zn-Mg-Cu系合金时效过程中沉淀相析出顺序为：α(过饱和固溶体)→GP区→η′(MgZn1.3~1.5)→η相(Mg- Zn2)。GP区是Mg、Zn原子在Al基体某一晶面偏聚而形成的球状原子偏聚区，与基体保持完全共格。η′相MgZn1.3~1.5为过渡相，在Al基体中形成圆盘状，具有六方结构，与基体保持完全半共格，而η相MgZn2是平衡相，六方结构，晶格常数与基体非共格[12]。在高于175 ℃温度下保温时，GP区和η′相逐步转化为稳定的η相，析出相与基体的位向关系由共格和部分共格转变为非共格，使基体晶格畸变程度减小，内应力降低，从而使电子运动变得容易，电导率提高。

图3 7055铝合金在不同温度下拉伸试验后冷却至室温时的电导率

2.3 金相组织

图4所示为7055铝合金在不同温度下拉伸试验后的金相组织，其中图4(a)是室温下拉伸后的金相组织。由图看出，所有拉伸试样组织均匀，合金已发生完全再结晶，晶粒细小，平均晶粒尺寸＜50 μm，α-Al基体及晶界上有均匀分布的析出相质点，同时残存很少量未固溶的S相(CuMgAl2)及难溶相。说明喷射成形7055铝合金化学成分均匀，结晶相细小且弥散分布，经过挤压、锻造和固溶处理后绝大部分已充分溶解，在后续时效过程中析出相均匀析出在晶界和晶粒内部。从图4还看出，随温度升高，金相组织没有明显变化。结合电导率测试结果，说明喷射成形7055铝合金在150 ℃以下的温度下保温30 min，微观组织基本稳定。在175 ℃和200 ℃下保温30 min，晶粒尺寸无变化，析出相也未发生显著合并长大。图3显示拉伸试验温度高于175 ℃时，拉伸后试样的室温电导率随拉伸温度升高而加速上升，是由于GP区和η′相逐步转变为稳定的η相，强化效果减弱，基体晶格畸变程度减小，内应力降低所致，在光学显微镜下无法观察到这一变化特征，待进一步研究。

图4 7055铝合金在不同温度下拉伸试验后的金相组织

2.4 拉伸断口

图5和图6所示分别为合金拉伸断口的低倍与高倍SEM形貌。由图看出25 ℃下的拉伸断口粗糙，存在显著的“韧带”组织特征，在高倍下观察发现韧带中两薄层晶粒之间晶界区域存在大的孔洞，晶粒均存在微剪切唇，表明这些晶粒发生穿晶剪切断裂。此外在低倍下还可看到断口存在少量小尺寸韧窝。上述断口形貌特征属于典型塑性断裂特征，说明喷射成形7055-T74在室温下具有良好的塑韧性。100 ℃下的拉伸断口与25 ℃的拉伸断口相似，仍看到“韧带”组织，由高倍形貌可看到晶粒内部存在高密度、小尺寸的韧窝。当温度升高到125 ℃时，“韧带”组织变得稀少，从高倍形貌看出较明显的“韧窝”形貌。这是因为随变形温度升高，基体合金的强度下降，基体相与沉淀相的强度差异增加。此时，在外应力作用下，大尺寸沉淀相/基体界面处成为裂纹优先萌生的位置，韧窝由此产生、积聚、连接成为裂纹，最终导致断裂[13]。温度进一步升高至150 ℃时，断口中“韧带”特征基本消失，微孔集聚型断裂行为变得显著，“韧窝”数量明显增加。175 ℃下的断口“韧窝”断裂特征进一步增强，韧窝数量、尺寸、深度均增加，韧窝的侧壁变得很薄，韧窝边界存在非常显著的滑移特征，这表明在该温度下基体的强度显著降低而塑性大幅度提高，韧窝一旦形成，则通过韧窝边界基体合金的滑移变形不断汇聚、长大，直至样品中形成宏观裂纹直至断裂。200 ℃下的断口形貌与175 ℃非常相似，放大倍数下发现韧窝尺寸进一步加大，韧窝侧壁变薄，表明断裂前塑性变形量进一步增大。

图5 7055铝合金拉伸断口的SEM低倍形貌

由以上分析可知，喷射成形7055-T74铝合金在不同温度下的变形、断裂特征明显不同。随温度升高，合金中的热激活作用不断增强、基体软化，晶界/晶内强度差异逐渐缩小[14]，且沉淀相钉扎位错的能力减弱，基体强度显著降低、塑性升高，裂纹在各处沉淀相界面同时萌生并逐渐扩展，形成断口各处的韧窝。此时在剪切断裂区内剪切断裂特征弱化而韧窝特征逐渐增强。随温度进一步升高，基体塑性很好，裂纹萌生阶段持续时间较长，韧窝尺寸大、深度较深，由大尺寸沉淀相剥落形成的孔洞显著增多。

图6 7055铝合金在不同温度下拉伸的断口SEM高倍形貌

3 结论

1) 随拉伸测试温度升高，喷射成形7055铝合金锻件的强度逐渐下降，伸长率和断面收缩率提高。随温度从25 ℃升高到200 ℃，抗拉强度和屈服强度从632 MPa和607 MPa分别下降到349 MPa和335 MPa，伸长率从14.5%升高到20%，断面收缩率从40%升高到69%。

2) 拉伸测试温度≤150 ℃时，随测试温度升高，经过高温测试后的试样室温电导率保持稳定，在38.5~38.7%IACS之间。当测试温度≥175 ℃后，随温度升高，测试后试样室温下电导率加速上升，175 ℃时为39.1%IACS，至200 ℃时为42.6%IACS。

3) 喷射成形7055铝合金锻件组织均匀，平均晶粒尺寸＜50 μm，在温度≤150 ℃下保温30 min组织稳定，在175 ℃和200 ℃保温30 min晶粒尺寸无长大现象，析出相也未发生强烈合并长大。

4) 喷射成形7055-T74铝合金锻件在室温下表现出良好的塑韧性断裂特征。断口形貌由＜150 ℃下的“韧带”+“韧窝”断裂特征逐步转变为≥150 ℃下的全“韧窝”断裂特征。温度升高，“韧窝”数量、尺寸、深度均增加，韧窝侧壁变薄。

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(编辑 汤金芝)

Mechanical properties at high temperature of spray-forming 7055 aluminum alloy forgings

SHANG Haidong1, ZHOU Xiaojun2, WANG Fei1, YANG Ouyang1, JIANG Yunze2, ZHANG Jie2, ZHANG Hao2

(1. Guizhou Xin’an Aviation Machinery Co. Ltd., Anshun 561000, China; 2. Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co. Ltd., Zhenjiang 212009, China)

The cuboid free forgings were prepared by spray forming 7055 aluminium alloy extruded bars (Ø110 mm). The alloys were heat treated according to T74 (450 ℃/3 h+475 ℃/3 h solid-solution, 120 ℃/8 h+160 ℃/24 h aging treatment). After the treatment, the tensile tests were carried on the samples at different temperatures including room temperature, 100, 125, 150, 175 and 200 ℃ for 30 min, respectively. The electrical conductivity of tensile specimens at room temperature was detected. Metallographic structure and fracture surfaces were analyzed by OM and SEM. The results indicate that microstructure of the 7055 aluminum forging after heat treatment has fine grain, uniform microstructure and good high temperature stability. The bend strength, yield strength and elongation are 632, 607 MPa and 14.5% respectively at room temperature. The electrical conductivity of the forgings keeps steady and strength decreases slightly when the temperature increasing from 100 ℃ to 150 ℃; however, the electrical conductivity and strength decrease rapidly when the temperature increasing from 150 ℃ to 200 ℃. The elongation increases with increasing temperature. The bend strength, yield strength and elongation of the alloy are 349, 335 MPa and 20% respectively when temperature is 200 ℃. Spray forming 7055-T74 forgings show a ductile fracture characteristics in the range of 100−200 ℃.

spray forming; 7055 aluminum alloy; forgings; mechanical properties at high temperature; electrical conductivity; tensile fracture; nest microstructure

TG146.2

A

1673-0224(2017)05-636-07

2016−12−19；

2017−03−10

商海东，高级工程师。电话：18708530309；E-mail: shanxixjz@163.com