淬火水温对7075 铝合金锻件综合性能的影响

文/王玉佩·陕西宏远航空锻造有限责任公司

7075 铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu 系合金，被广泛应用于现代航空航天工业和一些民用交通运输业，具有密度小、强度高、抗腐蚀性能以及加工性能好等优点。近年来，飞机构件的整体化、大型化要求采用高性能的厚截面铝合金材料（如大锻件和超厚板），以减轻重量，降低成本，提高可靠性。

7075铝合金作为典型的可热处理的强化铝合金，其生产的构件厚度大，由于厚截面材料固溶后淬火时，中心层往往难以获得足够高的冷却速率，导致锻件内外组织和性能有很大的差异，外表面冷却太快，纵向屈服强度超出指标，心部性能因为固溶不充分导致锻件热处理返修甚至锻件报废。因此本文以7075 铝合金大厚锻件(有效厚度≥140mm)为对象，固溶采用不同的淬火水温20 ～35℃、60 ～85℃获得不同的冷却速率，从而研究固溶后水淬的水温对其时效后的电导率、金相组织和室温拉伸性能的影响。

试验方法

试验准备

研究尺寸为φ190mm×450mm、有效厚度为140mm 的20 件7075-T7352 铝合金自由锻件，T7352状态为热处理固溶后加1%～5%的冷变形，本试验选用3%的冷变形。7075 铝合金的化学成分(质量分数%)为：5.7Zn、2.5Mg、1.6Cu、0.2Zr、0.097Fe、0.037Si，其他元素总和小于0.24，余量为Al。所有锻件平行放置于装料板上，锻件之间要保证一定的间隙，锻件在空气循环电炉中固溶，随炉升温，具体的热处理参数见表1。

时效后进行电导率、室温拉伸性能和显微组织的测试。锻件表面粗加工，粗加工后需一定时间的静置，然后再进行电导率的检测，电导率检测在涡流电导仪1752 上进行，每个锻件上均匀打5 个点，遵循AMS-A-22771 标准，得到电导率(%IACS)。锻件的室温拉伸性能测试在Cl-3001 材料试验机上进行，遵循ASTM E8/E8M-16a 标准，得到抗拉强度(Rm)、屈服强度(RP0.2)和延伸率(A)，每种状态测试3 个样品(表皮纵向1 根、表皮横向1 根、心部约90mm 处高向1 根)。高倍试样用腐蚀液HF∶HCl∶HNO3∶H20=2∶3∶5∶190 腐 蚀 后，采 用Cl-2001 光学显微镜进行显微组织观察。

表1 7075 铝合金锻件的热处理参数和锻件数量及标识

试验结果和讨论

高倍组织

固溶采用不同淬火水温，双级时效后7075-T7352 铝合金的显微组织都无过热、过烧组织，淬火水温20 ～35℃的7075-T7352 铝合金的金相照片如图1 所示。淬火水温60 ～85℃的7075-T7352 铝合金的金相照片如图2 所示。由图1 和图2 可以看出显微组织主要有白色的Al 基体和黑色、暗黑色的η'(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2CuMg)等第二相粒子组成，图2(a)、(b)对比图1(a)、(b)，可以明显看出，图1 黑色第二强化相更细小些，图2(c)对比图1(c)，可以明显看出，图2(c)组织相对较亮，对于含Cu、Zn 的合金在再结晶晶粒间还有不同的颜色对比度，对比度越大，说明合金固溶越充分，也可说明图1(c)相对固溶不充分。

电导率和力学性能

由表2 可知，随着固溶淬火冷却速率的升高，淬火水温60 ～85℃试样电导率提高了2%IACS，同时不同方向力学性能的差异性小。电导率高、性能差异性小也是组织均匀的反映。组织越细小、均匀，锻件的电导率越高、性能数据越稳定，这也与图2(a)、(b)、(c)组织结果相吻合。

随着固溶淬火冷却速率的升高，锻件表皮的强度降了5 ～9KSI，结合图1(a)、(b)黑色第二强化相细小，且分布均匀，心部性能反升了6KSI，这也符合图1(c)相对固溶不充分，从而引起固溶体的过饱和度下降，导致锻件心部强度不足。图1(c)相对固溶不充分还导致了固溶淬火水温20 ～35℃试样的高向比纵、横向的抗拉强度相差13KSI，屈服强度相差17KSI(表2)。遵循AMS22771 标准，标准中要求锻件的电导率在38%IACS ～39.9%IACS 之间，试样的纵向屈服强度≤60.9KSI。由表2 纵向屈服强度可以看出，超出标准(～3KSI)，而固溶淬火水温60 ～85℃的试样三个方向均满足其标准的要求。

结合表2 固溶淬火水温20 ～35℃的锻件的内外性能差异，本文针对性的对淬火水温20 ～35℃的试样的心部90mm、表面、1/2 厚(50mm)处进行力学性能的分析。

表2 7075-T7352 铝合金锻件双级时效后的力学性能和电导率

表3 在不同取样位置的力学性能

试样在不同取样位置的力学性能

由表3 可知，淬火介质水温20 ～35℃的锻件，纵向抗拉强度从表皮、35mm、55mm 依次下降6.7KSI、1.5KSI；屈服强度依次下降6.4KSI、1.3KSI。试样横向抗拉强度从表皮、35mm、55mm 依次下降8.8KSI、1.5KSI；屈服强度依次下降11.1 KSI、0.8KSI。试样高向抗拉强度从20mm 、35mm、90mm 依次下降4.5KSI、2.8KSI；屈服强度依次下降5.2KSI、1.7KSI。纵向和横向距表皮55mm 处取样，纵、横向抗拉强度均压线，说明该自由锻件(有效厚度约为140mm)的淬透性约为55mm。

结论

采用电导率测试、金相组织、室温拉伸手段研究了淬火水温对7075 厚铝合金自由锻件力学性能的影响，结果表明：⑴7075 材料对水温的敏感性高，锻件淬火的冷却速度快慢影响锻件的内外性能差异，固溶淬火水温60 ～85℃三个方向的双级时效后性能差异小，固溶淬火水温20 ～35℃，双级时效后高向的强度对比水温60℃～85℃差异最大约13 ～17KSI。⑵7075-T7352 锻件固溶淬火水温60 ～85℃较水温20 ～35℃，双级时效后电导率提高了2%IACS，双级时效后金相组织均匀，且三个方向都存在一定的方向性。⑶7075-T7352 锻件有效厚度约为140mm，固溶淬火水温20 ～35℃的淬透性约为55mm。