高强铝合金7055的液态模锻技术研究

王井玲

（天津职业技术师范大学 天津 300222）

0 引言

铝合金密度不高，力学性能中强度相对不错，延展性好，可以用它加工成各种形状的材料，本身具有很好的导电性、导热性、耐腐蚀性，在工业上得到了普遍的应用，应用程度仅仅低于钢的应用。随着科学技术的发展，这些年来工业也得到了快速的发展，铝合金作为重要的金属资源材料在航空、医疗以及军事工业等领域起到了越来越重要的作用。

7055铝合金是中高强铝—锌—镁系铝合金中的一种，具有密度低、韧性好、所需制造的成本低以及成型方便快捷等特点，在航空、航天、交通等其他方面得到很大的应用。7055铝合金是美国铝业公司通过增加 Zn和 Cu两大主要元素，在7050和7150合金系列基础上开发得到的。其性能优势是强度高、密度低，断裂韧抗疲劳性能和抗腐蚀性能都非常好，广泛应用于航空航天领域。7055高强铝合金的主要杂志元素是Fe和Si，主要添加的合金元素有Zn，Mg，Cu还有Zr。

我国对超高强的铝合金研究时间很短，而对7055铝合金以及对7055铝合金的制造工艺的研究才刚刚开始，虽然近些年来，不少研究者和专家增加了对7055铝合金的研究力度，也取得了不少成就和研究数据，但是和世界先进国家相比，距离还很大。

1 7055铝合金的制备与成型工艺

7xxx系合金液/固相线间距大，凝固成形时过渡带宽，易出现疏松、气孔等组织缺陷，铸造裂纹倾向较大，给在高强条件下工作的零件带来危险，常规加工方法多数采用铸造之后塑形加工成形，存在严重偏析、未溶共晶相粗大等问题。提出喷射成形快速凝固——热挤压——固溶时效处理后 SEM 检测组织致密，屈服强度大463MPa抗拉强度512MPa伸长率14%，硬度204.5HV。

7055铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，为可沉淀硬化铝合金，控制沉淀相的结构，可使之强化，主要采用固溶处理和人工时效处理进行强化。不同的热处理对合金的强度、抗应力腐蚀性能、断裂韧性都产生较大的影响。目前7055铝合金主要通过固溶处理和时效实处理现强化。自7055铝合金问世以来，其固溶时效热处理制度也在发展。利用不同时效条件下，沉淀相析出的不同。但是，迄今为止，这些沉淀相的结构组成和形态特征，以及析出过程中的组织演变规律还没有形成确切统一的说法。目前7055铝合金常用的热处理工艺经历了T6-T73-T74-T76-T77-T79-T7751一系列的优化过程。其中，T7751的工艺过程至今未公开。

液态模锻，被人们又称之为挤压铸造，是目前世界上刚刚兴起的一种新的金属成型方式。液态模锻技术具有生产出来的产品质量好，所使用设备少，节约能源，环境污染小，所消耗的成本低等特点该技术为7055铝合金提供了一种可能的生产工艺，通过热处理获得性能良好的7055铝合金。

2 液态模锻7055铝合工艺及组织特征

2.1 液态模锻工艺参数

液态模锻7055铝合金采用的工艺参数如表1所示。浇注温度为720℃，压力值分别为0Mpa,30Mpa,60Mpa,90Mpa,130Mpa。

2.2 液态模锻7055铝合金组织性能检测

如图1所示是五种压力下液态模锻后放大200倍的金相组织。从图中可以看出，其晶粒分布不均匀，偏析现象比较严重，合金中的各个组成元素在结晶时分布不均匀。7055铸态合金的组织为固溶体基体上均匀分布着第二相颗粒，高温沉淀的尺寸在 m以上的粗大结晶相颗粒、高温沉淀的 m以下的弥散相颗粒和时效析出的尺寸在0.1 m以下的析出相颗粒。7055 的物相组成为 -AL（固溶体），（MgZn2）、S（Al2CuMg）、T（Al2Zn3Mg2）和Al3Zr。各个相的晶格结构，哪个相起决定性的强化作用未定。

从晶粒尺寸方面分析，当压力为60MPa时，晶粒的平均尺寸最小，晶粒大小不均匀，当压力小于60MPa时，随着压力的增加，晶粒尺寸不断减小，当压力大于60MPa，随着压力的增加，晶粒尺寸有增大趋势。60MPa压力为该工艺参数条件下获得细小晶粒的一个临界点，60MPa前压力越大晶粒尺寸变得越细，但超过60MPa的压力后，压力越大，晶粒尺寸也变得越大。晶粒尺寸变化的主要原因是过冷度的影响。液态模锻过程中铸件在压力的作用下凝固，铸件与模具之间的间隙会变小甚至消除，当间隙变小后，金属模具的传热速度增快，从而铸件的冷却速度就会变快，过冷度增大，使得晶粒细化。而且在压力的作用下，会使熔点升高，相当于理论结晶温度升高，实际结晶温度不变或降低，从而使过冷度变大，形核率增大，单位时间单位体积中的晶核数量就越多，使得晶粒细化。同时压力还会阻止晶核长大，从而增加晶核数量，也促进晶粒细化。

图1：不同压力下液态模锻后金相组织（200×）

从晶粒粗细变化与压力的关系可以看出影响晶粒尺寸的工艺因素不是单一的压力。其影响结果的关键点是加压时，熔体温度值。该温度在液相线附近某一个值时，随压力的增加而晶粒尺寸减小。例如，有研究提出，当浇注温度大于某一临界温度值时，随压力增加，晶粒尺寸增大，当浇注温度小于某一临界温度值时，随压力的增加，晶粒尺寸增大。

在液态模锻的过程中，增加压力可以改变固溶度；细化第二相；减小原子间距改变热扩散系数和导热率；改变形核速率和晶体长大速度，这些都是晶粒能够得以细化的原因。

表1：五个压力测得硬度值表

不同压力下的液态模锻7055铝合金的维氏硬度如表1所示。硬度测试时，为了保障结果的准确性，至少取三个点，计算其平均值作为硬度测试结果。当液态模锻的压力参数值为60MPa时，硬度最高为155HV，明显高于压力为0参数下的硬度。

实验结果证明，相较于普通铸造技术，由于压力作用使结晶过冷度增大等原因，采液态模锻技术制备7055铝合金可以获得更为细小均匀的晶粒，实验测得的平均硬度也更高。液态模锻技术可用于7055铝合金的成型，为实现高强铝合金的超强韧化提供了途径。