基于JMatPro软件对7050铝合金析出相的热力学模拟计算
2019-06-18蔺虹宾何跃斌王新颖苗景国
蔺虹宾,何跃斌,蒋 辉,李 丽,王新颖,苗景国
(1.四川省航空材料检测与模锻工艺技术工程实验室,四川德阳 618000;2.四川工程职业技术学院,四川德阳 618000)
7050铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,是目前用传统方法生产的工业用强度最高的铝合金,由于其综合性能优异,在航空航天领域用材料中占有主导地位[1-3]。随着航空航天工业的发展,铝合金以减轻结构,提高可靠性和延长寿命为目标,主攻高强、高韧和耐腐蚀耐疲劳等综合性能使之符合极端服役环境,这就需要通过精密热处理工艺精确调控微观组织[4-5]。笔者利用JMatPro软件对7050铝合金的平衡相组成、TTT、CCT及沉淀相进行热力学计算,为制定热处理工艺和调整析出沉淀相的组态提供理论依据。
1 材料及研究方法
研究材料为7050铝合金轧制板材,板材厚度为75mm,其标准化学成分如表1所示。
JMatPro软件是一款功能强大的金属材料相图和性能计算软件,以热力学模型、热力学数据为计算基础,对所有的物理模型的建立都经过了广泛的验证[6],已有研究结果表明[7],JMatPro软件对6063和7003铝合金模拟计算所得的TTT和CCT曲线与试验获得曲线相吻合。本研究采用JMatPro软件铝合金模块对7050铝合金析出相进行热力学计算,合金的成分选择各合金组元的平均百分含量。
2 结果与讨论
2.1 热力学平衡相
通过热力学计算,得到7050铝合金的平衡相转变过程图,如图1所示。根据计算结果可知,7050铝合金的液相线温度为633℃,在该温度下,析出α(Al)固溶体相,合金的固相线温度为510℃。在596℃时,析出Al3Fe相,其在550℃时析出量达到最大值,为0.33%,随后与液相发生包晶反应生成α(Al)固溶体相,在固相线温度处完全消失。在凝固末期520℃时,开始析出Mg2Si相。随后合金发生固态相变,依次从α(Al)固溶体中析出Al6Mn相、S (Al2CuMg) 相、E (AlCrMgMn) 相和 η(MgZn2)相,它们的析出温度分别为508℃、468℃、457℃和405℃。合金在室温下的平衡相组成 为 86.5% α (Al)、8.87% η (MgZn2)、3.02% S(Al2CuMg)、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和 0.26%E(AlCrMgMn)。
图1 7050铝合金平衡相转变量与温度关系
2.2 合金的TTT和CCT曲线
图2为7050铝合金的TTT图,从图中可以看出合金的TTT曲线整体呈“C”形。合金中GP区、η′亚稳相和η相的鼻尖区的温度依次升高,分别为 140℃、330℃和 380℃,对应的孕育时间为0.002h、0.007h和 0.2h,开始转变温度分别为160℃、380℃和440℃。表2列出7050合金中各相在不同温度下的孕育时间,文献报道,7050铝合金时效强化过程析出相的顺序为SSS→GP区→η′相→η相,其中GP区和η′相为合金主要沉淀强化相,利用TTT曲线可以制定相关时效工艺,随着时效温度的下降,合金中各相的孕育时间增长。
图2 7050铝合金TTT曲线
表2 7050铝合金中各相不同温度下孕育时间
图3为7050铝合金的CCT图,反映了合金以连续方式冷却时相转变与冷却速度的关系。η′相无析出的临界冷却速度为2℃/s,因此7050铝合金在固溶处理时,在230~330℃需要大于2℃/s的冷却速度以抑制各物相的析出来获得过饱和固溶体。
图3 7050铝合金CCT曲线
2.3 7050合金等温时效相组成
由图1中7050合金平衡相转变过程可知,当温度高于468℃时,合金中除了Al6Mn相外,固态下 S(Al2CuMg)相、E(AlCrMgMn)相和 η(MgZn2)相均会固溶到α(Al)固溶体中。Al6Mn相的固溶温度为508℃,合金的固相线温度为510℃,为此合金固溶温度选择475~480℃。合金在时效过程中,首先形成溶质原子的偏聚区(GP区),随后脱溶出η′和S′亚稳相,亚稳相与α(Al)固溶体成共格或半共格关系,亚稳相是合金中主要的沉淀强化相。图4为 7050铝合金不同时效温度下析出相随时间变化曲线,从图中可以看出,随着时效温度的升高,合金中亚稳相析出的时间缩短,析出速率增加,析出量增多。时效温度为100℃时,时效27h,合金中η′和S′分别为6.88%和3.48%,时效温度达到140℃时,只需时效13h,合金中η′和S′达到6.83%和3.63%。
图4 7050铝合金不同时效温度下析出相随时间变化曲线
3 结论
(1)通过对7050平衡相组成进行计算,合金室温下的相组成为86.5%α(Al)、8.87%η(MgZn2)、3.02%S (Al2CuMg)、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和0.26%E(AlCrMgMn)。温度高于 468℃时,除Al6Mn相外,合金中固相会全部固溶于α(Al)固溶体相。
(2)合金的 TTT曲线整体呈“C”形,GP区、亚稳相和稳定相鼻尖温度分别为140℃、330℃和380℃,对应的孕育时间为0.002h、0.007h 和0.2h。η′相无析出的临界冷却速度为2℃/s。
(3)随着时效温度的升高,合金中亚稳相析出的时间缩短,析出速率增加,析出量增多,时效温度为100℃时,时效 27h,合金中 η′和 S′相分别为6.88%和3.48%,时效温度达到140℃时,只需时效13h,合金中η′和S′相达到6.83%和3.63%。