加热温度对7A09-T6铝合金型材性能的影响

李继光，杨菊鹏，王 湃,2，刘延平,2，初冠南

（1.天津航天长征火箭制造有限公司，天津，300462；2.首都航天机械有限公司，北京，100076；3.哈尔滨工业大学威海校区，威海，264209）

0 引 言

运载火箭壳段类产品通常为桁条+蒙皮+端框的半硬壳结构，桁条作为其主承力结构，是最主要的钣金零件之一［1-2］。7A09 铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu 系超高强度变形铝合金，因其具有较好的耐腐蚀性、较高的韧性和良好的热加工性，同时还可以通过热处理强化而具有较高的比强度，因此运载火箭壳段类产品中的桁条大部分选用7A09铝合金［3-4］。桁条零件为实现与端框连接，端头通常需要压制下陷，目前航天下陷成形工艺采取“退火态成形—淬火—修整变形—时效”的工艺，淬火后普遍存在变形量大、人工修整量大、表面质量差、产品直线度不易保证及生产效率低等问题。同时7A09 铝合金有明显的自然时效硬化趋势，桁条在校形过程中出现硬化，影响产品校形。而如果直接采用7A09-T6铝合金进行下陷成形，就会造成截面畸变、开裂等问题。因此如能在7A09-T6态下直接成形，可省掉淬火、修整和时效3道工序，在提高零件形状精度的同时提高生产效率。

G Palumbo 等［5-7］的研究表明，将铝合金材料加热到一定温度可以大幅提高其塑性能力，且当加热温度不超过某一温度，冷却至室温后材料的力学性能保持不变。早在1946 年，Finch 等［8-9］就对铝合金板材进行了加热成形研究，结果表明，加热可以显著提高铝合金板材的拉伸成形性能。然而加热是否能提高7A09-T6铝合金的塑性成形能力还未见报道。

本文通过对7A09-T6 铝合金型材进行热拉伸试验，得到了不同加热温度下的工程应力应变曲线，研究了7A09-T6铝合金型材随加热温度的力学性能变化规律，并且研究分析了经过不同温度加热冷却至室温后的力学性能和微观组织变化规律，为7A09 铝合金在7A09-T6态下成形提供理论指导和数据支撑。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所采用原材料为7A09-T6铝合金型材，型材牌号为XC141-12。型材构件及截面尺寸如图1 所示，7A09铝合金的化学成分［3］如表1所示。

表1 7A09 铝合金的化学成分Tab.1 Chemical composition of the 7A09 Al alloy

图1 型材构件及截面尺寸（单位: mm）Fig.1 Profile members and section dimensions (Unit: mm)

1.2 试验方法

试验应用热拉伸试验方法，使拉伸试样处于温热状态，测试材料在各温区下的力学性能，采用的Gleeble 1500D热模拟试验机如图2所示。该热模拟试验机最大载荷为±8 160 kg（大气环境），位移速度为0.001～1 200 mm/min，加热温度范围为0～1 200 ℃。拉伸试样由型材腹板截取，如图3所示。设定每组参数拉伸试样数量为3个，试验后取平均值。为排除多种因素影响，依据单一变量原则，设定每组试样的原材料同炉批、规格以及状态保持一致。测试过程如下：拉伸过程中，试片两端被夹紧同时受到轴向的拉力，进而产生伸长的现象。随着拉伸过程的不断进行，试样最终被拉断，整个测试过程为实时监控状态，测试环境保持恒温。

图2 Gleeble 1500D热模拟试验机Fig.2 Gleeble 1500D thermal-mechanical simulator

图3 拉伸试样截取及实物（单位: mm）Fig.3 Tensile test samples (Unit: mm)

2 试验结果与分析

2.1 7A09-T6铝合金典型温度下的力学性能

热拉伸试验加热温度分别为25 ℃（室温）、100 ℃、150 ℃、165 ℃、175 ℃、185 ℃、200 ℃和250 ℃，试验过程应变速率为0.1/s，保温时间为10 s。拉伸试验得到的工程应力-应变曲线如图4所示。具体的力学性能如表2 所示。7A09-T6 铝合金强度和延伸率随温度的变化趋势如图5所示。

表2 不同温度条件下的力学性能Tab.2 Tensile properties tested at different temperatures

图4 7A09-T6态铝合金不同温度条件下的工程应力-应变曲线Fig.4 Engineering stress-strain curve tested at under different temperatures

从图5 中可以看出，加热温度对7A09-T6 铝合金的力学性能有显著影响。室温下7A09-T6的屈服强度和抗拉强度分别为520 MPa 和580.2 MPa，延伸率为11.0%；随着加热温度升高，屈服和抗拉强度降低，而断裂延伸率则不断增加，当加热温度达到200 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别降到了374.5 MPa 和420 MPa，断裂延伸率增加至20.0%；当加热温度升高到250 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别降到了280 MPa 和289 MPa，而断裂延伸率增加至22.5%，约为室温条件下断裂延伸率的2.05倍。

2.2 保温时间对塑性变形能力的影响

根据上述分析，当加热到175 ℃时，延伸率可达18.1%，完全可以满足实际工程需求，因此需要继续研究当加热到175 ℃时，保温时间和加热速率对塑性变形能力的影响，保温时间选取为1 s、10 s、60 s。拉伸试验得到的工程应力-应变曲线如图6 所示，在175 ℃时相同应变速率下随着保温时间的延长材料的屈服强度及抗拉强度稍有下降，断裂延伸率变化在1.5%以内。可以认为在175℃下成形时，保温时间在60 s以内随着保温时间的延长对材料断裂延伸率的提高意义不大，因此在实际成形时，可以通过缩短保温时间来缩短整个工艺的时间，提高生产效率。

图6 保温时间对力学性能的影响Fig.6 Effect of holding time on mechanical properties

2.3 加热速率对塑性变形能力的影响

图7 给出了不同加热速率下加热至175 ℃，保温10 s时拉伸得到的工程应力-应变曲线，试验过程中应变速率为0.1/s。从图7中可以看出，加热速率（电流密度）对材料的力学性能影响不大。

图7 加热速率对力学性能的影响Fig.7 Effect of heating rate on mechanical properties

2.4 7A09-T6铝合金经过不同温度加热冷却至室温后的力学性能

为确定不同加热温度对材料冷却至室温的最终力学性能有无影响，开展了相应的试验验证。试验测试了经过加热至不同温度，保温10 s，然后自然冷却到室温在应变速率为0.1/s时拉伸的材料力学性能，其工程应力-应变曲线如图8所示。具体的力学性能如表3所示。

表3 不同加热温度下冷却至室温的材料力学性能Tab.3 Tensile properties tested at being cooled to room temperature after heated to different temperatures

图8 不同加热温度下冷却至室温的工程应力-应变曲线Fig.8 Engineering stress-strain curves of tested at being cooled to room temperature after heated to different temperatures

图9a 和图9b 分别为热拉伸及冷却至室温拉伸时材料的屈服强度、抗拉强度及断裂延伸率与加热温度的关系。由拉伸试验结果可知：当加热温度不高于200 ℃时，冷却至室温后材料的力学性能与没有加热的7A09-T6性能值相当；当加热温度高于200 ℃后，冷却至室温后材料的屈服强度和抗拉强度随着加热温度的升高而降低，延伸率随加热温度升高而稍有增大。

续图9

图9 加热前后材料力学性能对比Fig.9 Comparison of tensile properties before and after heating

2.5 7A09-T6铝合金加热前后材料微观组织变化情况

不同加热温度后在扫描电镜下的扫描电镜照片（放大200 000 倍）如图10 所示。从图10 中可以看到尺寸0.05～1 μm 的析出物颗粒，这些析出物颗粒主要是Al3Zr、Al7Cr 和Al18Mg3Cr2相，为抑制再结晶而引入的微量元素Cr、Mn、Zr 等形成的金属化合物，在固溶温度以下这些金属化合物颗粒经过短时间加热不会发生转变。在200 ℃以下，未见0.05～1 μm 的析出相明显变化。当温度达到285 ℃时，能观察到析出相减少，350 ℃加热后剩余时效析出相很少，此时已经发生η，相（MgZn2）回溶和转变，与此同时可以观察到“气泡状”的亚晶存在，随着加热温度的升高，亚晶有长大的趋势，这是由于温度升高原子能量增加、热运动能力提高促进了动态回复。

图10 加热前后7A09-T6室温拉伸件扫描电镜照片Fig.10 SEM photos of 7A09-T6 room temperature stretch before and after heating

3 结 论

本文研究得出以下结论：

a）7A09-T6 铝合金随着加热温度升高，屈服和抗拉强度降低，断裂延伸率则不断增加。当加热温度达到200 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别降到了374.5 MPa和420 MPa，断裂延伸率增加至20.0%；当加热温度升高到250 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别降到了280 MPa 和289 MPa，而断裂延伸率增加至22.5%，约为室温条件下断裂延伸率的2.05倍。

b）当加热温度不高于200 ℃时，冷却至室温后材料的力学性能与没有加热的7A09-T6力学性能值相当，一次析出相和二次析出相均无明显变化；当加热温度高于200 ℃后，冷却至室温后材料的屈服强度和抗拉强度随着加热温度的升高而降低，延伸率随加热温度升高而稍有增大；当加热温度高于285 ℃时，此时已经发生η，相（MgZn2）回溶和转变，因此冷却至室温后材料的屈服和抗拉强度明显下降。加热温度达到350 ℃时，出现亚晶，说明存在回复再结晶。

c）在200 ℃以下热成形，加热时间和加热速率对性能和组织影响不大。