分级均匀化处理对7068新型高强铝合金组织及性能的影响

张志，陈忠家，姚奇，蒙广建

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

随着我国航空航天及高速列车等运载工具的快速发展，迫切需要具有比重小、强度高、热加工性能好等优良性质的合金材料。目前，作为主要航空航天结构材料的铝合金正在向着高强、高韧、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳、易加工等各种高性能发展。国内外对7075系和7050系两种高强铝合金进行了大量的工艺研究，现已商业应用[1-3]。然而，其强度，耐腐蚀性等仍待提升[4]。

近年，美国Kaiser铝业公司发明了7068系高强铝合金，该合金的力学性能比传统7xxx系超高强铝合金的高得多，T6511处理下其抗拉强度超过700MPa，比同条件下7075系合金高出11％，且其延伸率也近10％。由于其优良的性能，该合金已被美国联邦航空局(FAA)及国家航空和航天局(NASA)采用[5-6]。由于7068铝合金的合金元素(尤其是Zn和Mg)含量较高，在普通铸造过程中由于非平衡结晶易发生晶间偏析，使铸态组织中形成许多非平衡共晶及粗大金属间化合物。合金中网状的共晶相脆性大，塑性低，它们的存在易成为裂纹源，使合金后续压力加工性能变差[7-8]。此外严重的成分偏析会增加各向异性和腐蚀敏感性[9]。因此，必须对铸态合金进行均匀化处理，最大限度消除偏析，降低内应力。目前对7xxx系铝合金均匀化处理一般采用一级均匀化，但不同成分的合金均匀化效果差别很大，对于高Zn和Mg含量的合金，均匀化温度若过低，晶界上及枝晶间低熔点共晶相不能完全消除，合金元素偏析较重；温度若过高，很容易导致金属过烧，使合金力学性能迅速下降。

国内外关于7068系合金均匀化处理的研究报告鲜见。本文作者研究了分级均匀化处理对含Ce的7068系铝合金显微组织、力学性能等的影响，为更深入研究7068系高强铝合金的均匀化热处理制度提供参考，为工厂的实用热处理工艺优化提供热处理参数。

1 实验

1.1 合金的熔炼与试样制备

采用高纯Al(99.9％)、工业纯Zn(99.9％)、工业纯Mg(99.9％)、铝铜中间合金、纯Ce和Al-5Ti-B细化剂为原料在坩埚炉中进行熔炼，熔炼温度控制在700～750°C，用C2Cl6(约炉料0.5％)精炼除气，铁模浇注，浇注温度约为720°C。浇铸获得尺寸为200mm×10mm×100mm的铸锭。制备的合金理论成分为Al-8.1Zn-2.8Mg-2.0Cu-0.25Ce，相当于7068铝合金成分。

用差热分析(DSC)方法确定铸态合金中低熔点共晶熔化温度，DSC的升温速率为10°C/min。将铸态合金线切割成5块，每块切取一小样，分别进行表1中5种均匀化处理制度。保温对应时间后将小样取出，水淬，大样随炉冷至室温。5块大样均匀化后进行加工率为80％的热轧和加工率为50％的冷轧，得到厚度为1mm的板材。沿轧制方向按国标GB/T228-2002切取标准拉伸试样。对试样进行450°C×2h+470°C×1h的固溶处理，室温水淬。淬火后立即进行T6人工时效，即120°C保温24h。

表1 7068合金铸锭的均匀化参数

1.2 组织观察与测试

制备好的金相样品用Keller溶液腐蚀，并在XJP-6A型金相显微镜及JSM-6490LV型扫描电子显微镜下观察试样显微组织与拉伸断口并测定析出相化学成分。

1.3 电阻率测量与拉伸性能测试

电阻率测试在SZ-82数字式四探针测试仪上进行，最后换算成电导率IACS％。拉伸实验在CMT5105型微机控制电子万能实验机上进行，拉伸速率为1mm/min。

2 实验结果与讨论

2.1 合金铸态组织分析

实验合金在光学显微镜及扫描电镜下观察到的铸态金相如图1所示。从图1(a)可见，合金铸态组织在低倍镜下晶粒尺寸在80～120um之间，大小很不均匀，主要由树枝状α相(Al)和枝晶间共晶相构成，合金晶界相分布不均匀，局部共晶相偏聚严重。进一步扫描电镜观察可以看出晶界上许多非平衡共晶相连续分布，对其进行能谱分析(EDS)的结果如表2，可知非平衡共晶相为AlZnMgCu四元相，晶粒内部过饱和固溶体Zn含量也较高。显然，合金元素往晶界处聚集导致合金成分偏析。因此，合金在热加工前必须经过均匀化热处理，降低偏析，消除内应力，同时使合金粗大相分裂细小，分布均匀，钉扎晶界和亚晶界，提高合金的综合性能[10-11]。

(a) OM 像； (b) SEM 像

表2 图1(b)中各点能谱分析结果(％，原子分数)

2.2 合金铸态组织DSC分析及均匀化淬火显微组织

铸态7068合金DSC分析结果如图2，由曲线可知，铸态试样主吸热峰为626.5°C，为合金熔化温度。在475.2°C处也有一明显的吸热峰，对曲线拟合分析得到低熔点共晶相初熔温度为467.3°C。合金若连续升温则在467.3°C就会出现低熔点共晶相回溶，若温度继续升高超过475°C合金就可能发生过烧。

1#～5#合金均匀化保温后淬火态的组织如图3所示，从图3(a)～图3(e)可以看出合金经过均匀化后，非平衡共晶相较铸态均有不同程度地减少，晶粒形状尺寸趋于均匀。如图3(a)，1#合金均匀化温度为450°C，低于低熔点共晶相初熔温度，均匀化后铸态枝晶状组织仍有部分存在，晶界处偏析的共晶相未溶入基体；提高均匀化温度至465°C，淬火后组织中枝晶基本被消除，晶界处仍有少量共晶残留(见图3(b))；对合金先低温(455°C)长时间预处理，再升至高于低熔点共晶的温度(475°C)保温一段时间(如3#合金)，合金的铸态晶粒形状完全消失，枝晶全部消除，晶粒形状尺寸均匀，但有些三角晶界处有共晶相存在且晶界有粗化倾向，可能是直接升温至475°C使低熔点共晶相未能及时溶入晶内，发生轻微过烧，如图3(c)；当合金在455°C下保温16h时，合金元素长时间缓慢扩散均匀，当温度升高至467°C附近并保温一段时间时，合金中部分低熔点共晶相开始溶解，再升高温度至吸热峰475°C并保温4h时，熔点稍高的共晶相也缓慢溶解，最终组织的晶界细小光滑，组织趋于均匀(如图3(d))。4#合金三级均匀化处理后的合金SEM照片(图3(f))显示共晶相回溶较为充分，只残留少量未溶共晶相；对基体A处进行EDS分析，并对比图1(b)B处的能谱分析结果，可知均匀化后的合金元素更好地溶解到了基体中；将合金直接一步加热至490°C并保温后，合金组织如图3(e)所示，由于在高温下长时间保温，晶粒有所长大，组织中残留的共晶虽然很少，但在局部区域出现了少量的三角晶界和晶界复熔球这种典型的过烧特征，这将严重影响合金力学性能。

图2 实验合金的DSC分析曲线

(a)450°C×24h; (b)465°C×24h; (c)455°C×18h+475°C×6h; (d)455°C×16h+465°C×4h+475°C×4h; (e)490°C×18h; (f)SEM 像455°C×16h+465°C×4h+475°C×4h

通常，合金在低温单级均匀化条件下，合金元素扩散系数低，晶界偏析的共晶溶入基体固溶体需要很长时间且溶解不充分。直接升高均匀化温度超过高熔点共晶熔点能使合金元素充分扩散，但很容易发生低熔点共晶与晶界复熔，严重影响合金的后续加工与性能。若温度只控制在低熔点共晶的溶解温度，高熔点共晶由于未达到其熔点将几乎不能溶入基体，且部分低熔点共晶在均匀化过程中逐步转化为高熔点共晶，这样均匀化后组织中残留的共晶仍较多，均匀化效果不理想[12]。因此，逐步升温均匀化处理，即4#合金的均匀化制度，先将合金在较低温度下长时间保温，尽可能使合金元素扩散均匀，消除枝晶，再将温度升高至低熔点共晶熔点附近并保温一段时间，目的是让低熔点共晶溶解，让残留共晶的尺寸大大减小，最后将炉温升至高熔点共晶熔点附近，由于前面两级均匀化保温已溶解大部分共晶，只需短暂的保温，即可将难溶的高熔点共晶充分溶解且晶粒不会明显长大。可见，通过多级均匀化处理可以提高残余共晶相的固溶程度，对合金后续压力加工及固溶时效处理可产生积极影响[13]。

2.3 合金力学性能

5种均匀化处理后的合金固溶峰值时效态(T6态)的抗拉强度及延伸率如图5。从图中可见，采用1#和2#合金的均匀化制度后，合金抗拉强度较低，这是由于1#、2#合金均匀化后成分仍有偏析，固溶时效后析出相分布不均匀。此外，从1#合金拉伸断口的SEM照片(图4(a))可以看出断口呈现许多冰糖块状，并有少许粗大的孔洞，表现为沿晶断裂，这与析出相过度沿晶界分布而未分布弥散有关。经过分步多级均匀化后，T6态的抗拉强度及延伸率都呈现上升趋势，当采用三级均匀化时(4#合金)，合金的抗拉强度达到715MPa，延伸率为13.3％，均达到峰值。由于三级均匀化使多共晶相完全溶解且分布较均匀，固溶处理后形成过饱和固溶体，峰值时效后η相及T相充分析出并均匀分布在晶内和晶界。这样，均匀弥散的溶质原子拖曳与析出相钉扎共同作用，阻碍位错运动和晶界的迁移，抑制了晶粒长大，使合金力学性能表现较优，合金的断口冰糖状形貌减少，韧窝数量明显增多(如图4(b))，合金表现出较好的断裂韧性，这也是4#合金均匀化后T6态抗拉强度与延伸率较高的缘由[14]。5#合金均匀化处理后，显微组织中出现三角区和复熔球，固溶时效后由于晶界的破坏、析出相的偏聚和硬质过烧颗粒的存在，一定程度上成为合金的裂纹源对基体产生削弱作用，最终导致合金的力学性能大幅下降。

(a) 1#合金； (b) 4#合金

图5 7068铝合金不同均匀化条件下的室温拉伸性能

2.4 实验合金的电导率

5种均匀化处理后T6态合金电导率如图6，从455°C的单级均匀化到分步三级均匀化，合金电导率从24.6％IACS上升到34.5％IACS，但490°C均匀化的合金电导率下降明显。

图6 7068铝合金不同均匀化条件下的电导率曲线

铝合金峰值时效状态的电导率主要取决于晶界析出相形态与分布[15]。随着1#合金到4#合金的均匀化程度提高，合金组织趋向均匀，经过固溶时效后，晶界析出粒子由链状转变为孤立状分布(如图3(f))，晶界上溶质原子的浓度降低，形成贫溶质原子区，一定程度上也会使电导率升高。5#合金均匀化后合金组织发生过烧，使固溶时效后晶界析出相呈较大的链球状且偏聚严重，电导率下降。

3 结论

(1) 常规熔炼铸造的7068合金铸态组织偏析严重，主要呈现为树枝状α相和非平衡共晶AlZnMgCu四元相，低熔点共晶相的起始溶解温度为467.3°C；

(2) 7068合金经过分级均匀化处理能显著提高其力学性能和导电性能。在本研究体系中，合金在所做均匀化处理中最佳的均匀化处理制度为455°C保温16h再465°C保温4h最后475°C保温4h。经该处理后T6态合金的抗拉强度、延伸率以及电导率分别为715MPa、13.3％和34.5％IACS。

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