7175铝合金铸锭均匀化工艺研究

张 宇，刘 欢，吴 楠，王 克，冯艳飞

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu)合金具有密度小、强度高、加工性能好等优点，被广泛应用于航空工业及民用工业等领域[1-2]。7175铝合金为美国变形铝合金，与传统7075铝合金相比，经热处理后该合金具有更高的强度及抗应力腐蚀开裂能力，在航空领域具有更广泛的应用价值。7175合金铸造组织包含α(Al)和网状非平衡共晶相，还含有少量块状富铁相(Al7Cu2Fe)，由于粗大共晶组织及杂质相比较脆，在热加工时析出相与基体界面容易产生裂纹而导致合金过早开裂，这对材料的塑性加工及使用性能产生了不利影响[3]。为了达到合金内部成分及组织均匀的目的，为后续塑性加工做好准备，必须对铸锭进行均匀化退火以消除或减少共晶组织的有害作用。使用均匀化工艺不同，均匀过程中化合物的转变情况不同从而导致组织中化合物的种类、数量和尺寸不同，对后续的组织演变和性能产生一定影响。据研究表明，提高均匀化温度比延长均匀化保温时间对消除铸锭中粗大第二相的效果更加显著[4-5]。本文研究了7175铝合金均匀化处理前后显微组织变化及第二相残留情况，对均匀化工艺的制定，合理选用工艺参数提供了解决方案。

1 试验方案

本实验采用7175铝合金，其化学成分见表1。运用自主编程及数值计算的方法，研究7175合金的凝固过程相组成及析出温度。在凝固过程采用Scheil-Gulliver模型理论可以很好的解决众多铝合金不能试验的凝固问题[6]。通过数值模拟对含量为Al-1.5Cu-0.13Fe-2.5Mg-0.1Si-6.0Zn (wt.%)的成分进行计算，得出理想状态下，铸锭的相组成图及各相析出温度如图1所示。由图1可以看出，按照选取的合金成分，7175铸锭在理想状态下的相组成有S相、T相、MgZn2、Al7Cu2Fe、Mg2Si。其中Al7Cu2Fe及Mg2Si属于高熔点相，在7175均匀化过程中无法消除。因此，需要溶解的相为S相及T相，根据Al-Cu-Mg系平衡状态图，α+S+T的相组成在472℃(745.3K)下发生共晶反应[7]。

表1 合金化学成分表(质量分数，%)

均匀化温度通常采用相熔化温度的0.90～0.95倍，段玉波等[8]对高强7A04铝合金阶段性均匀化进行了研究，其中第一阶段促进固溶体成分均匀，第二阶段在提升温度后进行高温均匀化，可提升均匀化效果。因此，设计两种均匀化制度，分别为单级均匀化工艺440℃×24h，阶段均匀化工艺440℃×16h+460℃×8h。

2 试验结果及分析

2.1 DTA分析

图2为7175合金铸锭均匀化处理前后的DTA曲线。可以看出，未经均匀化处理的7175合金铸锭在463.4℃开始出现第一个吸热峰，表明在此温度下低熔点共晶相开始熔化吸热。

由曲线可以看出，7175合金经440℃保温24h均匀化处理后试样在熔化过程中仍存在吸热峰，表明在此均匀化制度下合金内部的低熔点相没有完全溶入基体；经440℃×16h+460℃×8h均匀化处理后的试样在熔化过程中没有吸热峰的存在，在此制度下能够将所有的低熔点共晶物全部消除。由于低熔点相的消除有利于消除成分偏析，减少晶界上第二相质量，提高合金的韧性。因此，使用阶段均匀化工艺效果更为理想。

2.2 显微组织分析

图3为7175合金的显微组织照片。

由图3可以看出，合金的铸态组织主要由树枝状的α-Al固溶体与晶界上和枝晶间的低熔点共晶相组成，在晶界、晶内分布大量第二相，其中晶界处第二相呈网状连续分布。使用CAE分析较优的工艺参数440℃×16h+460℃×8h均匀化后的试样无过烧组织，在晶界上第二相的含量较未均匀化数量大幅度减少，晶界由连续变为断续，晶界处的共晶组织基本消除，均匀化效果良好。

图4为7175合金均匀化前后的第二相尺寸及面积分数。由图4可以看出，合金铸锭在经 440℃×16h+460℃×8h均匀化后第二相尺寸由90μm降低至27μm，第二相面积分数由3.13%降低至1.50%。

2.3 SEM分析

7175合金铸锭SEM照片如图5所示，能谱分析结果见表2。

表2 各点能谱分析结果(干扰元素C、O、S、F、Cl未计入表格)

Tab.2 Results of energy spectrum analysis

均匀化制度分析点所含元素原子数百分比(at.%)分析相组成未均匀化440℃×16h+460℃×8hA1Al、Mg、Si36.4、1.4、7.4α(Al) +Mg2Si+SiA2Al、Mg、Cu37.1、1.18、12α(Al)+Al2Cu+S相A3Mg、Al、Cu、Si、Fe1.1、39.2、6.7、0.4、0.8Al7Cu2Fe+S相+Mg2SiA1Mg、Al、Si3.7、94.7、1.6Mg2SiA2Mg、Al、Cu、Fe0.8、55.6、3.1、2.3α(Al)+Al7Cu2FeA3Mg、Al2.6、94.3α(Al)

能谱显示7175合金未均匀化铸锭晶界上第二相主要为含Cu相、Mg2Si、富铁相、游离Si等。在经440℃×16h+460×8h均匀化后晶界残留的第二相主要为Mg2Si以及富铁相。其中富铁相在铸造过程就已经存在的初生相，一般认为这些初生相粒子是在常规均匀化处理过程中无法消除，而Mg2Si属于高熔点共晶相，均匀化温度较低时不发生回溶。同时，7175合金经均匀化处理后铸锭晶界上非平衡凝固共晶体的尺寸减少，共晶组织由铸态时的层片状连续分布转变为断续分布的独立个体，含Cu相基本全部回溶。

3 结论

(1)数值模拟结果表明，7175合金铸锭的相组成为S相、T相、MgZn2、Al7Cu2Fe及Mg2Si，合金铸锭在463.4℃开始出现第一个吸热峰；

(2)7175合金铸锭经440℃×24h均匀化处理后试样在熔化过程中仍存在吸热峰，合金内部的低熔点相没有完全溶入基体；使用440℃×16h+460℃×8h阶段均匀化处理，合金晶界处的共晶组织基本消除，第二相尺寸降低至30μm以下，含铜相基本全部回溶，均匀化效果更为理想；

(3)数值模拟分析与实际生产相结合，对铝合金的均匀化工艺研究具有一定的参考价值。