T74双级时效对7050铝合金自由锻件组织性能的影响

高蕾 崔明亮 杨希 王博 宋琦

(中国第二重型机械集团万航模锻有限责任公司，四川618000)

收稿日期：2021-07-29

7050铝合金属于7系铝合金，主要合金元素为Al-Zn-Mg-Cu，具有较高的比强度和较好的耐应力腐蚀性能，而且热稳定性好，广泛应用于航空航天领域，如飞机的机身、翼梁和框梁锻件。随着锻件尺寸不断增加和锻件性能要求不断提高，为了使7050铝合金锻件获得更好的强度、韧性和耐应力腐蚀性能的匹配性，需研究电磁搅拌冶炼的铸锭经改锻后的自由锻件热处理制度。

现阶段关于7050铝合金挤压带板[1-3]和厚板的热处理工艺研究较多，但是关于大型铝合金自由锻件和模锻件的热处理工艺研究较少。7050铝合金主要通过不同的时效工艺获得不同的强韧性匹配，从而满足生产需求。本文采用电磁搅拌技术熔炼的铸锭，经改锻成自由锻件，经过不同T74过时效热处理工艺，获得室温拉伸、断裂韧性和电导率关系，为后续7050铝合金模锻件T7452热处理工艺提供理论参考。

1 试验材料和方法

试验材料为电磁搅拌技术熔炼生产的∅600 mm×1800 mm规格的7050铝合金铸锭经改锻而成的自由锻件，自由锻件规格为2200 mm×1400 mm×160 mm(对应方向L×LT×ST)，后续将自由锻件模锻成模锻件。从自由锻件上切取5块210 mm×120 mm×160 mm的试块用于工艺试验。材料化学成分如表1所示，5块试块编号1#～5#的固溶热处理均采用474℃/8.5 h水冷，时效采用不同的时效工艺，时效工艺试验方案如表2所示。

表1 试验用7050铝合金自由锻件化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy free forgings for test(mass fraction,%)

表2 时效工艺试验方案Table 2 Test scheme of aging process

试块热处理后切取∅10 mm×50 mm规格的室温拉伸试样、B=30 mm规格的断裂韧性试样和高倍试样，取样位置均取自ST方向厚度中心，与锻件检测位置保持一致，并在试块表面检测电导率。采用微机控制电子万能试验机UTM5305进行室温拉伸试验，采用电液伺服疲劳试验机INSTRON8803进行断裂韧性检测，采用金相显微镜OLYMPUS进行高倍检测，采用电导率测试仪SIGMATEST2.069进行电导率检测。

2 结果与分析

2.1 室温拉伸和断裂韧性

图1和图2为不同一级时效时间的室温拉伸和断裂韧性图，从图中可以看出随着一级时效时间段延长，强度基本相同，断后伸长率降低约1%，断裂韧性升高约2 MPa·m1/2。整体来看，一级时效时间从6 h延长至9 h，强度和断裂韧性变化均不明显。一级时效主要发生GP区析出和转化为η′，6 h后其析出和转化过程缓慢，因此，性能变化较小[4]。

图1 不同一级时效时间的室温拉伸检测结果Figure 1 Tensile test results at room temperaturewith different primary aging time

图2 不同一级时效时间的断裂韧性检测结果Figure 2 Fracture toughness test resultswith different primary aging time

图3和图4为不同二级时效时间的室温拉伸和断裂韧性图，从图中可以看出随着二级时效时间的延长，强度逐渐降低，断后伸长率和断裂韧性逐渐升高。二级时效8～9 h，变化趋势非常明显，抗拉强度Rm降低约8 MPa，规定塑性延伸强度Rp0.2降低约17 MPa，断后伸长率A升高约3%，断裂韧性升高约4 MPa·m1/2。随着二级时效时间的延长，η′相向η相转变，晶内析出相和晶界析出相都明显长大，从而使强度降低，断后伸长率和断裂韧性升高[3]。

锻件标准中要求Rm≥490 MPa，Rp0.2≥420 MPa，A≥6%，KIC≥27.5 MPa·m1/2，综合考虑性能指标，选择一级时效时间为6 h，二级时效时间为8 h，均能满足标准要求且富裕度较大。

图3 不同二级时效时间的室温拉伸检测结果Figure 3 Tensile test results at room temperaturewith different secondary aging time

图4 不同二级时效时间的断裂性能检测结果Figure 4 Fracture toughness test resultswith different secondary aging time

2.2 电导率

编号1#～5#试块的表面电导率如图5所示，一级时效时间为6～8 h(编号3#、4#、5#)时，电导率基本相同，二级时效时间为7～9 h(编号1#、2#、3#)时，电导率从39.7%IACS升高至40.3%IACS，这与强度变化趋势相反，与断裂韧性变化趋势相同。电导率要求不低于38%IACS，若大于40%IACS的锻件则不用检测应力腐蚀性能，表示锻件具有较好的耐应力腐蚀能力。可以看出5个试块均满足要求，但二级时效7 h时的电导率为39.7%IACS。

图5 试块电导率Figure 5 Electrical conductivity of samples

2.3 高倍组织

图6为不同二级时效时间的高倍组织，可看出高倍组织形态、分布、大小基本相同。均发生了再结晶，存在大晶粒和亚晶，并且晶界处存在粗大第二相。二级时效时间9 h时晶粒长大较明显，二级时效时间为6 h时的亚晶较多。若要观察析出相的变化，则需要通过扫描和透射电镜进行进一步分析。

(a)177℃/7h

3 结论

(1)一级时效121℃保温6～8 h对锻件性能和电导率无明显影响。

(2)二级时效177℃保温7～9 h，随着时间的增加，强度逐渐降低，断后伸长率和断裂韧性逐渐升高。保温8 h为一个拐点处，二级时效从7 h增加到8 h时的性能和电导率变化不明显，二级时效由8 h增加至9 h变化趋势明显，抗拉强度Rm降低约8 MPa，规定塑性延伸强度Rp0.2降低约17 MPa，断后伸长率A升高约3%，断裂韧性升高约4 MPa·m1/2，电导率升高约0.5%IACS。因此，选择一级时效121℃保温6 h，二级时效177℃保温8 h的双级时效热处理制度，能够获得较好的性能匹配和电导率结果。