回归再时效工艺对7055铝合金板材组织及性能的影响

程志远, 孙 宁, 郭丰佳, 王志雄, 李 涛, 王经涛

(1. 山东南山铝业股份有限公司 国家铝合金压力加工工程技术研究中心, 山东 龙口 265713;2. 山东南山科学技术研究院有限公司 有色金属产业研究院, 山东 龙口 265713)

Al-Zn-Mg-Cu系合金具有强度高、韧性好、密度低、耐疲劳、抗腐蚀等优异特点,属于高强高韧型铝合金,在航空航天、轨道交通、船舶重工等应用领域占有重要地位[1-3]。早在20世纪20年代,Meissner和Sande在研究Al-Zn-Mg合金固溶淬火及时效工艺时发现,经时效处理后的铝合金强度会大幅提升,这为后续高强铝合金的发展奠定了基础[4]。1932年,韦伯在Al-Zn-Mg合金中加入Cu和Mn元素,发现合金的力学性能得到大幅提升,超高强度Al-Zn-Mg-Cu系合金问世[5]。随后,五十岚等将Cr和Mn元素加入到Al-Zn-Mg-Cu系合金中,发现合金的再结晶程度明显降低,强度得到大幅提高(600 MPa),且该合金首次被应用于军舰中[6-7]。

众所周知,Al-Zn-Mg-Cu系合金为典型的可热处理强化铝合金,在时效过程中经固溶处理的过饱和固溶体会发生强化相的脱溶析出,提高合金强度,进而达到强化合金的目的。目前,单级时效与多级时效是常采用的人工时效手段。经单级时效处理后,合金内部会析出细小而弥散的强化相,其强度得以提升,但耐蚀性能会降低[8];而采用双级时效工艺处理的合金,晶界处析出相得以粗化,晶内析出相也会进一步长大,这将导致合金的耐蚀性能提高而力学性能下降[9]。Cina等[10-11]提出的回归再时效(Retrogression and re-aging,RRA)工艺制度结合了二者的优势,在提高合金力学性能的同时又能保证良好的耐蚀性。

本工作以高强耐蚀7055铝合金板材为研究对象,系统地研究了7055铝合金板材经不同RRA工艺处理后的晶内、晶界析出相、抗拉强度、拉伸断口形貌及导电率,根据分析确定最优RRA处理工艺,为工业生产提供理论基础。

1 试验材料及方法

本试验所选用的材料为32 mm厚7055铝合金,合金成分范围见表1。试验所用7055铝合金板材在479 ℃保温1 h实现固溶过程,随后进行水冷淬火;RRA热处理工艺试验采用热空气循环炉(温度误差±2 ℃)进行,并配有热电偶实时监测炉膛与合金试样温度。具体热处理工艺如图1所示,首先以全功率将热空气循环炉升温至479 ℃,将7055铝合金板材放入其中保温1 h;待板材冷却至室温,以一定的升温速率升至121 ℃,保温24 h后进行预时效处理;预时效结束后,分别进行170、180 ℃保温不同时间的回归处理,回归处理采用快速升温及快速降温(淬火)方式;最后进行与预时效相同工艺的再时效处理。其中,淬火转移时间均小于5 s。

表1 7055铝合金的化学成分(质量分数,%)

图1 7055铝合金板材的热处理工艺示意图

为了研究不同回归条件的RRA工艺对7055铝合金板材显微组织、力学性能及导电性的影响,利用JEM-2100F型场发射透射电镜对7055铝合金板材T6态(479 ℃×1 h +121 ℃×24 h)和RRA态的晶界析出相及晶内强化相进行表征,采用硝酸和甲醇体积比为3∶7的溶液进行电解双喷制样;利用Quanta 200 FEG型扫描电镜对7055铝合金板材经不同RRA工艺处理后的拉伸断口形貌进行观察;使用TA Q200型差式扫描量热分析仪测试合金中低熔点共晶相的析出情况,测温范围为常温至650 ℃,加热速率为10 ℃/min;采用INSTRON万能拉伸试验机从板材1/2厚度处取样,对合金不同工艺下的力学性能进行测试;采用D60K电导率测定仪对合金的导电率进行测试,每个试样测定3组,取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2为7055铝合金板材经T6峰时效处理和回归再时效(RRA)处理后的晶界TEM图,从图2可以观察到,合金经T6处理后,晶界析出相尺寸较小,数量较多,晶粒尺寸约为10.82 nm,呈连续分布,而且晶界析出相周围存在很窄的无沉淀析出带(PFZ),宽度约为16.62 nm。经RRA处理后(见图2(c, d)),晶界析出相尺寸增大至21.55 nm,相间距变大,形态分布由连续分布变化为断续分布,析出相周围的PFZ也变宽,约为38.99 nm。可以看出,合金经RRA处理后,晶界析出相尺寸比T6态增大了99.17%,PFZ宽度增大了68.09%。时效处理对合金的性能有着不可忽视的作用,合金的耐蚀性能与晶界析出相的尺寸和分布状态紧密相关,晶界处析出相连续排列,则容易形成腐蚀通道,不利于合金的耐蚀性能,故经RRA处理后合金的耐蚀性有所提高。

图2 不同热处理状态7055铝合金晶界TEM图

图3为7055铝合金板材经T6和RRA处理后的晶内形貌。由图3(a, b)可以观察到,T6态合金晶内析出了大量细小弥散的强化相;经RRA处理后(见图3(c, d)),晶内析出相分布与T6态大体一致,但析出相尺寸略有增加。这是因为在高温回归过程中,不仅会发生小尺寸GP区、η″相和η′相的回溶,也会存在部分未回溶的较大尺寸的GP区和η′相的继续长大,故经再时效处理后的合金内部组织中,既有回溶后重新析出的小尺寸强化相,也存在继续长大的大尺寸强化相。

图3 不同热处理状态7055铝合金晶内析出相TEM图

图4为7055铝合金T6和RRA处理后的DSC曲线。DSC曲线能够反应合金在时效处理后析出相析出序列的变化情况,同时,根据DSC曲线中的吸热峰与放热峰可判定析出相的种类及含量[12]。由图4曲线可知,大约在110～130 ℃处存在吸热峰A,对应合金GP区和η″相的溶解,而且T6态的峰面积大于RRA处理后的,说明T6态合金中的GP区和η″相含量高于RRA态。在155～180 ℃处存在一个放热峰B,对应合金η′相的形成,η′相的形成主要源自两方面,一是基体内η″相向η′相的转化,二是直接从基体中形核长大。T6态的放热峰B比RRA态更明显,这是因为RRA时效过程中,在高温回归阶段已生成了部分η′相,导致其在DSC曲线中放热峰不明显。此外,合金RRA态的峰要宽于T6态的峰,这说明合金经回归再时效处理后析出相粒子的尺寸和体积分数均大于T6态,这与上述TEM结果相一致。

图4 不同时效态7055铝合金板材的DSC热分析曲线

2.2 力学性能

合理设计合金回归再时效过程的工艺参数,可以改善合金的力学性能,这是因为回归再时效过程中主要发生了与基体共格的GP区、η″相及与基体半共格的η′相的回溶与析出。表3为不同RRA工艺处理后7055铝合金板材的力学性能,从表3可以看出,在回归温度相同的情况下,随着回归时间的延长,经RRA处理后7055铝合金板材的抗拉强度和屈服强度均先升高后降低,且回归工艺为170 ℃×30 min时,二者分别达到峰值630.75 MPa和588.75 MPa,断后伸长率则变化不明显。

表3 不同RRA工艺下7055铝合金板材的力学性能

图5为7055铝合金板材经不同工艺热处理的抗拉强度。由图5可知,当预时效时间为24 h时,合金的抗拉强度达到最大值,622.5 MPa;进一步延长预时效时间,合金的抗拉强度反而下降,表明此时发生了过时效。因此后续RRA处理过程中预时效及再时效工艺均选择121 ℃×24 h。

由图5可以观察到,7055铝合金板材经RRA回归及再时效处理后,其抗拉强度随回归时间的延长呈先增大后降低的趋势,这是因为此时回归阶段发生了小尺寸GP区、η″相和η′相的回溶,经再时效处理后析出的强化相较多,故合金经RRA处理后,抗拉强度会逐渐增大至最大值;进一步延长回归时间,合金基体中将发生η′相和η相的析出、长大,导致合金的抗拉强度降低,强化效果变差。同时,回归温度越高,越有利于η′相向η相的转变,促进η相的长大及粗化,导致析出相的强化作用减弱,相应的合金强度越低,这导致了RRA回归温度为170 ℃时的抗拉强度要高于回归温度为180 ℃的对应值,而且,抗拉强度波动区间小于回归温度为180 ℃的,强度值更稳定。此外,回归初期,合金经RRA处理后的抗拉强度大于T6态,这是因为该阶段相对应的再时效后的基体组织中存在大量η′相,多于T6态基体内的GP区和η′相,而较硬的η′相的强化效果大于可被剪切的GP区的强化效果[13]。

图5 不同热处理工艺下7055铝合金板材的抗拉强度

图6和图7分别为7055铝合金在回归温度为170 ℃和180 ℃时,不同回归时间下RRA处理后的拉伸断口形貌。从图6和图7均可观察到少量韧窝及片状断裂面,部分区域出现明显的裂纹,即所有断口中均包括穿晶断裂和沿晶断裂,拉伸断裂机制为混合型断裂。时效工艺对合金断口形貌的影响主要与析出相的类型、尺寸及晶内晶界强度差有关[14]。在塑性变形过程中,析出相与基体界面易产生应变集中,拉伸过程中易发生沿晶断裂,而且沿晶断裂会随着晶界析出相面积分数的增大而增多;此外,若晶内强度较低,晶内晶界强度差较小,则晶内的空穴会优于晶界上的空穴快速长大,易发生韧窝型穿晶断裂[15]。经回归时间30 min的再时效处理后,合金晶内GP区和η′相占比较高,晶内强度较高,晶界晶内强度差大,断口处有较高比例的沿晶断裂区,该工艺下的合金强度最高。同时,在断口处含有一定的凹坑,这是因为滑移带在晶界处产生应变集中,导致晶界处形成空洞;进一步延长回归时间或升高回归温度,合金晶内部分强化相会发生一定程度的长大粗化,晶内强度降低,晶内晶界强度差减小,且晶界析出的η相由半连续变为断续分布,晶界析出相的面积分数减小,断口处的沿晶断裂比例下降,穿晶断裂占比上升,韧窝数量增多,合金强度有所下降。与沿晶断裂相比,穿晶断裂裂纹扩展所需能量较高,这通常与合金中未溶粗大第二相、晶内析出相等粒子有关,因此,穿晶断裂占比越高,合金的塑性和断裂韧性越好。

图6 7055铝合金经170 ℃回归不同时间后的拉伸断口形貌

图7 7055铝合金经180 ℃回归不同时间后的拉伸断口形貌

2.3 导电率

不同回归温度及时间对7055铝合金RRA工艺回归及再时效阶段导电率的影响如图8所示。随着回归时间的延长,RRA处理后的合金导电率逐渐升高,但导电率升高速率均表现为先快速上升又缓慢上升。导电率参数对合金的显微组织变化敏感,有试验表明,导电率可间接反映材料的抗应力腐蚀性能,导电率与材料的抗应力腐蚀性能呈正相关,即导电率越高,抗应力腐蚀性能越好[16-18]。一般来说,导电率差异是由于与基体共格相(GP区和η″相)周围应力场的变化及基体内溶质原子的固溶程度不同所造成的[19]。回归初期,与基体共格的小尺寸GP区和η″相发生回溶,造成基体内溶质原子固溶程度增加,导电率减小;另一方面,GP区和η″相回溶将导致其周围应力场消失,导电率增加,且增加的幅度大于减小的幅度,合金整体表现为导电率增加。此外,该过程还伴随着η′相的析出长大消耗基体内GP区和η″相,导致基体内溶质原子的固溶程度降低,因此,导电率在回归初期表现为快速上升。随着回归时间的延长,基体中析出大量的η′相和η相,导致基体的固溶程度降低,导电率缓慢增加。由图8(a,b)可知,经RRA再时效处理后的导电率要高于回归处理的导电率,这是因为再时效过程中,与基体不共格的沉淀相会继续析出、长大,导致基体的固溶度进一步减小。

图8 7055铝合金经回归(a)及再时效后(b)的导电率

3 结论

1) 7055铝合金板材T6态析出相细小,连续分布于晶界,晶内析出的强化相呈均匀弥散分布;经RRA处理后,晶界析出相尺寸变大,相间隔变大,呈断续分布,晶内析出的强化相尺寸也发生一定程度的长大。

2) 在回归温度相同的情况下,随着回归时间的延长,7055铝合金经RRA处理后的抗拉强度先增大后减小,当回归工艺为170 ℃×30 min时达到峰值。此外,升高回归温度,会加快η′相向η相的转化,加速基体中η相的析出、长大,降低合金的抗拉强度。

3) 不同RRA工艺处理后的合金断裂机制均为沿晶断裂和穿晶断裂的混合断裂;当回归时间为30 min时,晶内GP区和η′相占比较高,晶内晶界强度差较大,沿晶断裂数量较多,合金强度最高;进一步延长回归时间或升高回归温度,晶内晶界强度差较小,晶界析出相的面积分数减小,韧窝型穿晶断裂占比增加,此时合金的塑性和韧性较好。

4) 随着回归时间的延长与回归温度的升高,RRA处理后的合金导电率均越来越高,而且RRA再时效过程中与基体不共格的η相会继续长大粗化,使基体的固溶程度减小,导电率较回归阶段进一步提高。