微量Zr元素对Al-Zn-Mg-Cu合金阳极化效果的影响

2021-01-13王瑞雪

铝加工 2020年6期

王瑞雪，罗阳，汪磊

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu系合金属高强、硬铝合金，由于具有优异的比强度和良好的力学性能，因而在航空、航天、船舶工业中得到广泛的应用，尤其是应用到民用飞机的重要结构材料中[1-3]。由于一些使用环境的特殊性，特别是常年在沿海或海洋环境下使用的飞机、轮船等，不可避免地会发生各种形式的腐蚀[4]，因此需要对航空、航海用铝合金产品表面进行防腐处理。

但是，随着人们对生活品质的要求越来越高，现有铝合金产品表面简单的防腐处理已经无法满足人们日益增长的品质生活需求。因此，这就要求材料在满足基本使用条件下，也必须满足人们对于产品外观品质的要求。

为了使Al-Zn-Mg-Cu 合金厚板获得较好的外观形貌，本文在Al-Zn-Mg-Cu 合金基础上添加了微量的Zr 元素，通过对比两种合金成分试样成品的力学性能、显微组织及阳极氧化效果，确定了微量Zr 元素对Al-Zn-Mg-Cu 合金产品表面处理的影响，并提出改善方法。

1 试验过程

试验原料包括纯铝（99.9%+99.7%）、纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%）、纯铜（99.9%）、Al-Cu、Al-Cr、Al-B 等中间合金、铝钛硼丝细化剂、7075 合金一级废料和7050 合金一级废料，主要成分配料见表1。铸锭经大生产加热炉熔炼、精炼、过滤，浇注成型，铸造温度控制在700～740 ℃。铸锭均热工艺为460～470 ℃/28～40 h。均热后对铸锭进行常规切头尾、高低倍检测和铣面处理。

表1 合金成分配比（质量分数/%）

板材生产工艺路线为：铸锭加热→轧制→固溶处理→预拉伸→时效处理→样品锯切→性能、阳极氧化检测。

用岛津AGS-X-100 KN电子万能材料试验机进行力学性能测试，拉伸速率为15～25 mm/min，拉伸试验方法按GB/T 228.1-2010 标准执行，每组测试3个试样，取平均值作为试验结果。

用莱卡金相显微镜观察合金偏光组织，用数码显微镜观察试样成品纵截面阳极氧化形貌。试样阳极氧化工艺主要参数见表2。

表2 阳极氧化工序主要参数

2 试验结果

2.1 合金的力学性能

1#、2#试样T6 状态下的力学性能检测结果列于表3。从表3 可以看出，两种不同成分合金试样的强度及延伸率相差不大，且屈服及抗拉强度均高于标准值30 MPa 左右，延伸率高于标准值7%左右。比较两种合金T6 状态力学性能可知，添加0.02%Zr 后，合金强度和延伸率并无明显变化。由此可见，对于Al-Zn-Mg-Cu 合金板材来说，Zr 元素的添加对其力学性能影响不大。

表3 1#、2#试样T6状态力学性能

2.2 合金阳极氧化效果

1#、2#试样T6状态纵截面阳极氧化效果如图1所示。由图1 可以看出，1#试样厚度截面色泽明亮，且阳极氧化效果均匀；2#试样厚度截面出现明、暗相间色差带，阳极氧化效果不均匀。比较两种合金T6 状态阳极氧化效果可知，1#试样阳极氧化效果明显优于2#试样。

图1 样品典型阳极氧化形貌

图2 样品典型显微组织形貌

2.3 合金显微组织

1#、2#试样T6状态纵截面显微组织形貌如图2所示。由图2可以看出，1#试样厚度截面呈再结晶组织形貌，且不同厚度位置晶粒组织相差不大，整个厚度截面组织相对均匀；2#试样厚度截面出现变形组织与再结晶组织混合现象，氧化发亮区域为粗大再结晶组织形貌，氧化发暗区域为变形组织形貌。比较两种合金T6 状态纵截面显微组织形貌可知，Zr 元素的添加会使Al-Zn-Mg-Cu 合金再结晶温度提高，抑制再结晶组织产生，导致轧制过程更容易出现变形组织形貌。但由于Zr 元素分布不均匀，即未能充分发挥Zr 元素的作用，使得整个厚度截面阳极氧化均匀性效果变差。

3 分析与讨论

相关研究资料表明，由于Zr 元素的添加，在合金均匀化过程中会析出与基体共格的亚稳Al3Zr相[5]。经后续固溶处理时，Al3Zr相会对合金晶界起到一定的钉扎作用，阻止晶界和亚晶界的迁移，同时保留轧制变形产生的亚结构和位错，因此对铝合金细化晶粒、强化基体有着重要意义[6，7]。

但对于本次试验来说，Zr元素的作用不仅仅是优化Al-Zn-Mg-Cu 合金性能，更重要的是在潜在的其它复杂第二相影响未知的情形下，充分提高Al3Zr 粒子的弥散分布，以实现铸锭后续热加工及热处理过程中不发生或少发生再结晶长大，获得均匀一致的变形组织，从而使成品获得较好的阳极氧化效果。

通过对试样厚度截面阳极氧化形貌及显微组织观察可知，2#（Al-Zn-Mg-Cu-Zr）试样成品厚度截面组织不均匀，呈现异常粗大再结晶组织与变形组织相混合的状态，这与Al3Zr 粒子的弥散分布程度不均匀有关。

因此，综合分析可知，为了获得均匀分布的Al3Zr 粒子，可采用双级均匀化热处理制度对其进行改善。其中，第一级热处理属于较低温度的热处理，以促使Al3Zr 粒子形核为主要目的，伴随着部分粒子长大；第二级热处理属于较高温度热处理，以促使金属晶粒内部合金元素均匀分布、且较少偏析为主，同时伴随有部分Al3Zr 粒子形核长大，为后续获得均匀一致的变形组织做准备。