7175合金铸锭均匀化工艺研究
2023-06-26张芯华
张芯华
（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）
0 前言
7175 合金为Al-Zn-Mg-Cu 系高强铝合金，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]。由于它合金化元素含量高，在半连续铸造过程中容易形成大量的非平衡共晶组织，需要进行均匀化热处理，使合金非平衡共晶相尽可能溶入基体，最大限度地减少基体中残留的第二相，并且消除铸锭的微观偏析[3]。因此，铸锭的均匀化处理是该合金能否获得理想组织、工艺性能、使用性能的重要环节。本文重点研究均匀化工艺即均匀化温度及时间对合金组织的影响，尤其是对未溶粗大相的影响。
1 试验方法
采用纯度为99.95%和99.70%的原铝锭、纯锌、纯镁、纯铜、铝铬中间合金配料，Al5Ti1B 为晶粒细化剂。熔炼温度为730 ℃～760 ℃，精炼温度为730 ℃～750 ℃，铸造温度为690 ℃～710 ℃，将熔体浇铸于铁模中获得300 mm×120 mm×80 mm的7175铝合金方锭，其化学成分见表1。
表1 7175合金化学成分（质量分数/%）
采用光学金相（OM）、扫描电镜（SEM）、差示扫描量热（DSC）等方法对合金铸态和不同制度的均匀化状态的试样中的残留相含量、残留相成分组成、弥散相析出密度等进行分析。综合分析结果，确定7175合金方铸锭的均匀化热处理制度。
通过差示扫描量热（DSC）检测发现该铝合金铸态微观组织中非平衡共晶熔化温度为477 ℃，采用的均匀化制度如表2所示。
表2 均匀化制度
2 试验结果与讨论
2.1 铸态组织分析
对7175合金铸锭进行铸态组织分析，图1为金相组织图片。从图中可以看出，晶界处富集大量结晶相，合金晶粒尺寸相对均匀，平均晶粒尺寸约为153 μm。
图2为铸态合金SEM扫描组织，从图中看出它与铸态金相组织一致，晶界处偏聚大量结晶相，晶内结晶相较少。铸态合金SEM背散射模式下组织中主要存在两种明显的成分衬度，通过EDS能谱分析结晶相主要为T相（AlZnMgCu相）与Al7Cu2Fe相（见表3）。
表3 EDS能谱分析结果（质量分数/%）
如图3 所示，通过对铸态合金进行DSC 热分析，发现在476.98 ℃附近存在明显熔化吸热峰，即对应为低熔点共晶相熔化温度为476.98 ℃。结合工业化生产均热炉温度控制条件，选取460 ℃～470 ℃为合金均匀化温度，设计均匀化工艺进行试验（见表2）。
图3 铸态合金DSC曲线
2.2 均匀化对铸态合金结晶相影响
不同单级均匀化处理后合金的SEM 组织照片（见图4），晶界处富集大量结晶相回溶基体。通过Iamge-Pro-Plus 软件分别统计不同工艺条件下的第二相面积分数平均值（5张200倍），得出在470 ℃保温12 h、24 h和36 h后，合金中残留第二相面积分数分别为1.23%、0.988%和0.984%，保温24 h后合金中残留第二相含量基本保持不变；在460 ℃保温40 h 后，合金中残留第二相面积分数为1.12%，略高于470 ℃/24 h、470 ℃/36 h均匀化处理后合金中的残留量。
图4 不同单级均匀化处理后合金SEM组织照片
图5为不同单级均匀化处理后合金DSC热分析结果，合金在476.98 ℃处吸热峰消失，说明合金中非平衡共晶相T（AlZnMgCu）相大幅减少，但在502.67 ℃处出现了较小峰面积吸热峰。
图5 不同单级均匀化处理后合金DSC结果
均匀化处理后合金中T相大部分回溶，少部分转变为A12CuMg 相。图6 为合金在470 ℃/24 h 与470 ℃/36 h均匀化处理后残留相SEM，存在两种明显成分衬度，通过EDS能谱分析（见表4），发现合金中残留第二相主要是Al7Cu2Fe相与S（Al2CuMg）相。
图6 均匀化后合金残留相
表4 残留相EDS能谱分析结果（质量分数/%）
2.3 均匀化对弥散相的影响
通过场发射SEM 背散射模式，观察460 ℃/40 h、470 ℃/24 h、425 ℃/5 h+470 ℃/24 h 和450 ℃/5 h+470 ℃/24 h均匀化后水冷样品。
从图7 中可以看出，4 种均匀化处理后，合金中均有细小弥散的E（Al12Mg2Cr或Al18Mg3Cr2）相析出，合金中弥散析出相数密度如表5 所示。经460 ℃/40 h均匀化工艺处理，析出相数密度相对稀疏，而且颗粒尺寸较大，470 ℃/24 h处理的样品中弥散析出相颗粒数密度有所提高，达到9.37个·μm-2，颗粒尺寸较小。相比单级均匀化工艺，两种双级均匀化工艺处理的样品析出相数密度大幅度提高，颗粒尺寸更细小，其中450 ℃/5 h+470 ℃/24 h双级均匀化处理，析出相特征相对更加优异，颗粒数密度能达到22.96个·μm-2。
图7 不同均匀化处理后合金中弥散相特征
表5 不同均匀化工艺处理后合金中弥散析出相数密度
3 结论
（1）铸锭中结晶相主要为T 相（AlZnMgCu）与Al7Cu2Fe相，大量分布在晶界处，而晶内较少。
（2）采用470 ℃保温24 h 以上，合金中低熔点非平衡共晶相已经充分回溶。
（3）采用450 ℃/5 h+470 ℃/24 h工艺对铸态合金进行均匀化处理，不但能够消除铸态低熔点非平衡共晶相，而且可以有效促进微量元素Cr 以弥散相形式均匀析出。
