形变热处理对7075铝合金组织和性能的影响

2014-11-13陈琳

铝加工 2014年3期

陈琳

（西南铝业（集团）有限责任公司重庆九龙坡 401326）

0 前言

7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化多元时效合金，是航空航天领域的主要结构材料之一，具有高强度、低密度和热加工性能好等优点。目前，开发和发展高性能铝合金主要是围绕提高材料的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及疲劳性能等综合性能来开展研究，通过调整合金成分、添加新的合金元素、新的加工和制造技术等途径进行开发研究[1、2]。

形变热处理是将形变强化和相变强化相结合的强韧化工艺技术，通过形变增加金属中缺陷(主要是位错)的密度并改变其分布，热处理相变时这些形变时产生的缺陷将影响新相的形核动力学和分布，同时，新相的形成又对位错等缺陷的运动起钉扎、阻滞作用，使金属中的缺陷稳定、组织细化，从而提高其强度和韧性[3]。目前，研究较多的是可热处理强化铝合金的最终形变热处理[4]。Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si铝合金采用最终形变热处理，可大幅提高合金的强度，但Al-Zn-Mg-Cu系铝合金采用上述相同的形变热处理工艺后，合金板材的时效强度反而明显下降[4～6]。本文采用“轧制→淬火→预时效→形变处理→终时效”的加工工艺，研究形变热处理对7075铝合金组织和性能的影响，为工业化生产提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的力学性能提供参考。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验材料为重庆鼎发铝加工有限责任公司提供的规格为25×600×1800mm7075铝合金热轧板材，合金板材实测化学成分（质量分数，%）为：0.05Si、0.31Fe、1.44Cu、0.04Mn、2.40Mg、0.23Cr、5.56Zn、0.02Ti，余量为Al。

1.2 实验方法

实验先对预留冷变形量的厚度为25mm的7075合金热轧板材进行固溶淬火处理，淬火加热温度为470±5℃，保温时间为120min，室温水冷，淬火转移时间小于25s。淬火处理之后，将上述铝合金进行预时效处理，预时效处理温度为105℃，保温时间为240min。预时效处理后，对厚度为25mm的铝合金板材进行冷轧变形，铝合金板材最终厚度为20mm，变形率为20%。形变处理后，对合金进行终时效处理，终时效处理的温度为110±5℃，保温时间为1440min。

为比较研究形变热处理对7075合金性能的影响，对直接热轧的厚度为20mm的7075合金板材进行常规固溶淬火处理，淬火加热温度为470±5℃，保温时间为120min，室温水冷，淬火转移时间小于25s；淬火后将合金板材进行峰值时效处理，时效加热温度为120±5℃，保温时间为1440min。

实验中固溶淬火处理在自动淬火电阻炉中进行，时效处理在箱式电阻炉中进行。固溶淬火预时效及终时效后合金板材分别取样，对试样进行预磨、精磨、抛光、腐蚀制备金相试样，在光学显微镜和电子扫描电镜下观察样品的金相组织。对形变热处理后和常规热处理（T6态）后的合金板材分别取样，在电子拉伸试验机上进行拉伸试验，检测合金板材室温力学性能。

2 实验结果

2.1 形变热处理后合金的力学性能

对形变热处理后和常规热处理（T6态）后、厚度均为20mm的合金板材分别取样，检测比较合金板材室温力学性能（LT），结果见表1。

表1 7075铝合金形变热处理和常规热处理（T6态）力学性能比较（LT向）

实验结果表明，同常规T6态峰值时效热处理比较，7075合金板材采用形变热处理后，合金抗拉强度和屈服强度均有大幅提高（100MPa），延伸率基本相当，依然保持了较好的塑性。表1的结果表明，形变热处理能有效的提高合金的力学性能。

2.2 合金金相组织

7075合金不同时效处理时的组织形貌及SEM形貌分别示于图1和图2。

图1 7075合金不同时效处理时的组织形貌

图2 7075合金不同时效处理时的SEM形貌

实验结果表明，低温预时效处理后，合金板材为扁平细长的再结晶组织，在晶界和晶内有弥散分布的细小沉淀相析出；在经过20%的冷轧变形、再时效处理后，合金晶粒变得更为扁平细小，析出的均匀细小沉淀相的密度明显增加，且可以观察到清晰的位错带组织。

图3 7075合金SEM形貌和能谱分析

表2 7075试验板材主要物相的能谱分析（质量分数/%）

表1的能谱分析结果表明，合金淬火预时效后主要存在有θ′（CuAl2）相，其中含有部分杂质Fe和少量的Zn、Mg、Mn等元素，形貌为灰色的块状；形变处理终时效后，θ′（CuAl2）相中的Fe含量降低，Cu含量增加（图3中a1、b4比较）。同时，存在有η′（MgZn2）相，其中含有少量的Cu，形貌为灰色的不规则的块、条状，形变处理终时效后，其形貌扁平细小（图3中a2、b3比较）。

3 实验结果分析

高强铝合金的基体沉淀相组织、晶界沉淀相组织、晶界无析出带形状与特性决定铝合金的宏观性能。铝合金淬火处理后得到的是过饱和的α固溶体和很高的空位密度，时效处理时，随时间变化将析出沉淀，发生过程是从 GP[Ⅰ]区→GP[Ⅱ]→过渡相→平衡相的相变过程，具有高相变组织的微观特性[4]。相关的研究表明[5、6]，采用“淬火→形变处理→终时效”的形变热处理，可提高Al-Cu、Al-Mg-Si系铝合金的强度性能，但Al-Zn-Mg系铝合金在形变时效后强度和硬度总体呈下降趋势，并随变形量的增大、时效温度的提高，下降程度加剧；其主要原因是变形后位错密度增加，使与基体无共格关系的η相形核率增加，强化相 GP 区和η′相减少，最终大量的粗大η相的弱化效果大于位错强化作用，使合金弱化。也有资料表明，7075 铝合金冷变形后时效强度降低，一般认为是由于位错造成η′相不均匀形核所致[7]。

本实验7075合金的合金主要化学成分Zn、Cu含量均较低，其Zn/Mg比值为2.31，较低的Zn/Mg比值有利于合金铸造成型，降低合金铸造时的裂纹倾向[8]；相对的不利因素是，采用常规T6热处理时其合金的强度相对较低。实验采取“淬火→预时效→形变处理→终时效”的形变热处理，提高了7075铝合金的强度性能。合金板材淬火后采用低温、短时预时效处理，可以获得以GP区为主的弥散分布的细小沉淀相，为终时效处理时稳定存在的GP区优先成核提供条件，消除了冷轧变形后时效因位错造成η′相不均匀形核带来的不利影响。预时效的加热温度较低（105℃），有利于合金淬火后弥散分布的细小沉淀相析出形成，预时效的保温时间短（4h），同淬火后合金相比，合金的强度升高不大，有利于后续的冷轧变形。

合金预时效后经20%的冷轧变形后再时效，同预时效后的合金相比，合金晶粒变得更为扁平细小，有大量的位错缠结和细小、弥散分布的析出相，细小沉淀相的密度明显增加，见图1（a）、图2（b）。较大的冷轧变形率引入了大量的位错，促进了终时效时GP区转化为高密度均匀细小过渡强化相(主要是η′相)的析出。冷变形可加速终时效的析出过程，使终时效的时效峰值提前出现[9]。过高的终时效温度，会导致强化相η′尺寸增大，可能伴随有部分强化相η′向平衡相η的转变；均匀析出的与合金基体共格的GP区和η′强化相，是7075合金保持较高强度的主要原因；但强化相η′相转变为相对粗大的平衡相η，平衡相η和基体不共格，导致基体的晶格畸变减小，合金的强度下降，下降程度随η相数量的增加和尺寸的粗大而加剧。因此，选择较低的终时效温度（110℃）和较长的保温时间（24h），有利于细小、弥散分布的η′相析出，防止或减少平衡相η的大量形成，有利于合金的强化。同时，预时效后的形变处理，合金由于位错与强化相η′的交互作用，因而提高了7075铝合金强度，且使7075铝合金保持了较好的塑性。