Acta Metallurgica Sinica 2016 , 52 (12): 1503-1509 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00050

Orginal Article

7050铝合金淬火敏感性研究和微观组织分析^*

吴书舟¹, 易幼平¹, 黄始全¹^,, 李俊¹, 李晨²

1 中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室, 长沙 410083
2 中航工业第一飞机设计研究院, 西安 710089

RESERCH ON QUENCH SENSITIVITY AND MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF 7050 ALUMINUM ALLOY

WU Shuzhou¹, YI Youping¹, HUANG Shiquan¹^,, LI Jun¹, LI Chen²

1 State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
2 The First Aircraft Institute of AVIC, Xi'an 710089, China

通讯作者: Correspondent: HUANG Shiquan, Tel: 13548981584, E-mail: huangsqcsu@sina.com

收稿日期: 2016-02-1

网络出版日期: 2016-01-11

基金资助: *国家重点基础研究发展计划项目2012CB619504, 国家国际科技合作专项项目2014DFA51250, 以及高性能复杂制造国家重点实验室项目zzyjkt2014-02资助

作者简介:

作者简介: 吴书舟, 男, 1991年生, 硕士生

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摘要

通过分级淬火方法测定了7050铝合金的TTT曲线, 采用TEM和JMA方程等分析手段研究了固溶、等温淬火和时效过程中微观组织的演变规律及其动力学特性. 结果表明, 合金TTT曲线的鼻尖温度在330 ℃附近, 淬火敏感区间为300~380 ℃, 高温区(400~450 ℃)淬火敏感性低于低温区(210~270 ℃); 等温保温过程中过饱和固溶体主要析出以Al₃Zr粒子为形核核心的片层状η平衡相及少量针状S相, 随保温时间延长析出相体积分数快速增加, 同时在晶界排列变得连续而粗化、无沉淀析出带(PFZ)宽化, 在远离鼻尖的温度下保温合金析出速率减慢, 在晶界排布连续化和粗化程度降低; JMA方程中反映析出相形态的常数n在0.50~0.65的范围内, 析出相特征以片层状相为主、针状相为辅.

关键词： 7050铝合金, ; TTT曲线, ; 淬火敏感性, ; 相变动力学, ; 微观组织

Abstract

7050 aluminum alloy is an important structural material widely used in aerospace industry with a high quench sensitivity. In this work, the time-temperature-transformation (TTT) curves of 7050 aluminum alloy were determined by interrupted quench method. The microstructure evolution and phase transformation kinetics during solid solution, isothermal quenching, ageing treatment were studied by TEM and JMA equation．The results show that the nose temperature of TTT curves is about 330 ℃, with the quench sensitivity range of 300~380 ℃. The quenching sensitivity of high temperature range of 400~450 ℃ is lower than that of low temperature range of 210~270 ℃. The laminar equilibrium η phases characterized with nucleus of Al₃Zr particles and several needle-shaped S phases are the main precipitations of the supersaturated solid solution decomposes during isothermal holding process. With the increase of holding time, the volume fraction of precipitated phases rises quickly, which coarsen the grain boundary continuously and broaden precipitation free zone (PFZ). While holding far away from the nose temperature, the speed of precipitation slow down and the degree of continuity and coarsening of grain boundary decrease. The values of n in JMA equation vary from 0.50 to 0.65, indicating that the precipitations are mainly laminar precipitated phases and supplementarily needle-shaped phases.

Keywords： 7050 ; aluminum ; alloy, ; TTT ; curve, ; quench ; sensitivity, ; phase ; transformation ; kinetics, ; microstructure

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吴书舟, 易幼平, 黄始全, 李俊, 李晨. 7050铝合金淬火敏感性研究和微观组织分析^*[J]. , 2016, 52(12): 1503-1509 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00050

WU Shuzhou, YI Youping, HUANG Shiquan, LI Jun, LI Chen. RESERCH ON QUENCH SENSITIVITY AND MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF 7050 ALUMINUM ALLOY[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(12): 1503-1509 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00050

7050铝合金是广泛用作航空航天领域的承力结构材料^[1~3], 具有高强度、易加工、优异的抗腐蚀和疲劳性能, 适用于生产厚截面板材及模锻件^[4]. 随着成型技术的发展, 大型整体模锻件已经广泛投入使用^[5]. 但7XXX系铝合金合金化程度很高, 具有较高的淬火敏感性^[6,7]. 淬火速率过慢则易脱溶析出, 降低综合性能^[8,9]. 若淬火速率过快, 又容易导致残余应力过大^[10], 对锻件最终服役性能有很大影响, 导致其使用安全系数骤减. 此外, 在淬火过程中, 由于尺寸规格大, 大型整体模锻件的各部位冷却速率差别大, 性能调控难度增大, 且易导致较大的温度梯度与淬火残余应力. 因此, 如何综合调控7XXX系铝合金大型航空整体模锻件的性能及残余应力, 是当前亟待解决的难题.

合金的时间-温度-转化率(TTT)曲线可以表征合金的淬火敏感性, 通过电导率变化反映固溶体第二相脱溶析出速度, 可对合金淬火及后续性能进行预测^[11,12]. Archambault等^[13]通过差热分析和分级淬火的方法研究了AA7010铝合金的TTT曲线, 发现合金M相(Mg(Zn₂, AlCu))在350~375 ℃析出速率最大. 李慎兰等^[14]和王岗等^[15]通过分级淬火实验分别测定了Al-Mg-Si-Mn合金和6082合金的TTT曲线, 结果表明合金的鼻尖温度分别为360和350 ℃.

目前, 关于7050铝合金TTT曲线的研究鲜有报道, 且对7050铝合金淬火过程微观组织演变的研究尚少. 本工作通过分级淬火的方法测定了7050铝合金的TTT曲线和等温转变曲线(S曲线), 采用微观分析的方法研究了合金在不同温度条件下的析出规律, 为制定淬火工艺制度、实现力学性能与残余应力的协同控制提供依据.

1 实验方法

实验材料取自国内某铝业公司某锻件腹板部分, 锻件金相组织如图1所示. 可见, 再结晶晶粒不均匀, 有大量亚晶结构存在, 且具有一定程度的取向性.

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图1 7050铝合金锻件金相组织

Fig.1 Microstructure of 7050 aluminum alloy mold piece

腹板横截面经线切割加工成15 mm×15 mm×4 mm的电导率试块, 厚度方向为纤维流动方向, 在SX2-2.5-10型箱式电阻炉同炉固溶处理后迅速转移至Therm Concept 20/10盐浴炉进行不同制度的等温保温处理、水淬, 淬火水温25 ℃(固溶热处理制度为475 ℃, 1 h; 固溶后转移至盐浴炉以及盐浴炉转移至水中的转移时间均小于2 s). 淬火后打磨试样表面, 用D60K电导率测试仪按GBT 12966-2008标准进行电导率测试, 淬火至电导率测试时间间隔1 h.

等温保温处理制度为:

(1) 等温保温温度分别为210, 250, 270, 300, 315, 330, 360, 380, 400, 420和450 ℃, 偏差±2 ℃; 等温保温时间分别为5, 10, 30, 60, 300, 600和1200 s.

(2) 固溶后直接水淬, 不进行等温保温处理, 以获得过饱和固溶体的电导率.

(3) 固溶后在330 ℃等温保温48 h以获得完全脱溶析出的电导率^[16].

电导率测试后将试样进行T74态双级时效处理, 时效制度为121 ℃, 6 h+177 ℃, 8 h, 通过透射电镜(TEM)观察析出相. TEM观察在Titan G² 60-300透射电镜上按JY/T011-1996标准进行, 加速电压为300 kV. TEM样品加工成薄片, 厚度为1 mm, 经水磨机打磨、抛光机抛光至100 μm左右, 冲成直径3 mm的圆片, 采用双喷电解减薄仪进行减薄, 电解液是体积分数分别为30%的HNO₃和70%的CH₃OH混合溶液, 温度控制在-20~-30 ℃, 电流为60~80 mA, 电压为12~16 V.

2 实验结果与分析

2.1 电导率变化曲线

图2为不同等温温度与时间条件下的电导率. 如图2a所示, 在210~330 ℃低温范围, 随着等温保温时间延长, 淬火态合金电导率上升的速率随温度升高快速增加, 330 ℃等温保温300 s时材料的电导率增加近80%, 而在210 ℃等温保温300 s, 其电导率只增加25%. 如图2b所示, 在360~450 ℃高温范围, 随着保温时间延长, 淬火态合金电导率上升的速率又随着温度的升高有减小趋势, 360 ℃等温保温时, 样品的电导率将随着保温时间的延长而升高, 等温30 s时电导率增加了20%, 而延长等温时间至1200 s, 电导率增加了约80%, 450 ℃等温保温时, 样品的电导率随着保温时间的延长基本不变. 在330~360 ℃时, 淬火态合金电导率变化对保温时间敏感度很高, 在其中的某个温度固溶体电导率的转变速率达到最快, 330 ℃时保温60 s时电导率增加了40%, 而360 ℃保温60 s时电导率增加了35%.

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图2 不同等温温度下等温时间对等温淬火态合金电导率的影响

Fig.2 Influence of holding time (t) on electric conductivity of water-quenched alloy at temperatures of 210~330 ℃ (a) and 360~450 ℃ (b)

2.2 TTT曲线

7050铝合金模锻件的TTT曲线通过不同等温温度和时间的淬火态试样电导率来测定. 合金在固溶处理时形成的过饱和固溶体在等温保温处理时逐渐分解, 等温淬火后的电导率变化可以反映等温过程第二相的析出情况, 从而得到不同温度下固溶体的析出速率. 固溶淬火后析出相体积分数 $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ 与合金电导率关系如下^[11,12]:

$\begin{matrix} φ = \frac{γ - γ_{\min}}{γ_{\max} - γ_{\min}} \end{matrix}$ (1)

式中, $\begin{matrix} γ \end{matrix}$ 为固溶后经不同条件下等温的合金电导率; $\begin{matrix} γ_{\min} \end{matrix}$ 为固溶淬火态合金的电导率, 即过饱和固溶体尚未开始分解, 对应相转变分数为0, 经实验测得固溶后直接淬火合金电导率为18.0 MS/m; $\begin{matrix} γ_{\max} \end{matrix}$ 为固溶体完全分解时合金的电导率, 对应相转变分数为100%, 此处取330 ℃保温48 h试样的电导率作为计算依据, 即固溶体完全分解试样电导率为24.2 MS/m.

根据实验所得到的电导率数据(图2)按式(1)计算得出每一组等温温度下第二相脱溶析出的体积分数, 通过插值法可求出固溶体任意分解比率, 即得出图3所示的等温转变TTT曲线. 由图3可知, 合金的TTT曲线呈现“C”型, 在300~380 ℃中间温度段, 固溶体稳定性较低, 脱溶速度较快, 在210~270 ℃的低温段和400~450 ℃的高温段, 固溶体稳定性较高, 第二相析出速度较慢. 通过对TTT曲线的详细分析发现, 转变分数为10%~50%时, “C”型曲线鼻尖温度在330 ℃左右, 电导率转变最快, 在该温度淬火敏感性最高; 而关于鼻尖温度对称的两组高低温度, 高温转变速率比低温转变速率慢, 如合金在250 ℃保温72 s转变量为20%, 而保温温度为400 ℃时完成20%转变量需84 s, 即淬火敏感性:

中温>低温>高温.

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图3 7050铝合金等温保温过程的时间-温度-转化率(TTT)曲线

Fig.3 Time-temperature-transformation (TTT) curves of 7050 aluminum alloy during isothermal holding process

2.3 相变动力学分析

铝合金淬火敏感性通常采用Johnson-Mehl-Avrami (JMA)相变动力学方程^[17]进行描述:

$\begin{matrix} f = 1 - \exp (- k t^{n}) \end{matrix}$ (2)

式中, f为析出相分数; k为与形核和长大速率有关的常数, 对温度敏感; t为合金的转变时间; 常数n反映了析出相形态, 当0<n<0.50时, 表明析出相在位错上沉淀, n=0.50时以片层状新相析出, n=1.00时, 以柱状(针状)析出相析出, 当n介于0.50~1.00之间时以片层状和柱状(针状)析出相共存.

由电导率变化规律及TTT曲线数据可拟合上述JMA方程, 其值如表1所示, 拟合并汇总的S曲线如图4所示. 由表1可见, 拟合得出的n在0.50~0.65之间, 表明在250~420 ℃时, 7050铝合金固溶体脱溶析出及长大形式存在片状和针状增厚共存, 且n随着温度升高上下波动, 说明在等温过程中存在片层状和针状沉淀交替增厚的析出行为; 而k先增后减并在330 ℃达到最大值(0.056), 表明在此温度下相析出速率最大, 淬火敏感性最高, 这与TTT曲线所得结论一致. 比较不同等温温度下的S曲线 (图4), 330 ℃时转变最快, 而转变最慢的为高温和低温段, 转变速率为420 ℃<400 ℃<250 ℃<270 ℃, 佐证了TTT曲线中高温段脱溶析出比低温段慢的结论.

表1 7050铝合金S曲线的拟合参数

Table 1 Coefficients of S curves for 7050 aluminum alloy by fitting

Temperature / ℃	k	n
250	0.012	0.632
270	0.021	0.617
300	0.028	0.635
315	0.036	0.617
330	0.056	0.536
360	0.041	0.534
380	0.025	0.551
400	0.018	0.533
420	0.010	0.567

Note: k—associated with the nucleation and growth rate, n—indicate the morphological of precipitated phase

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图4 7050铝合金的等温转变S曲线

Fig.4 S curves of 7050 aluminum alloy at isothermal holding process

由相变动力学知识, 固溶体脱溶析出需要一定的过饱和度、过冷度和较快的扩散速率^[18,19]. 淬火过程温度较高时, 溶质原子和空位的迁移速率快, 但Al基体过饱和度和过冷度很低, 第二相难以脱溶析出; 在温度较低时, 基体过饱和度、过冷度达到最大, 易于形核, 但温度低导致扩散速率慢, 形核难以长大; 温度适中时, 扩散速率较快、过饱和度和过冷度较高, 因而固溶体极易分解, 第二相转变速率快, 宏观上表现为电导率上升最快^[20].

取鼻尖温度下电导率下降0.5%的时间视为未脱溶析出, 计算得到淬火孕育期约为0.7 s, 对比李培跃等^[21]和刘文军^[22]所报道的轧制态合金的淬火敏感性, 孕育期提前了1 s. 据刘文军^[22]分析, 铝合金在热加工过程中变形量越大、再结晶晶粒尺寸越小, 淬火敏感性越高. 陈慧^[23]通过对Al-Zn-Mg-Cu合金的慢速率淬火实验研究, 得到Al-Zn-Mg-Cu系合金淬火敏感性随再结晶分数的升高而增加的结论. 本工作中的锻造态合金变形量大于李培跃等^[21]实验采用的轧制态合金, 且锻件组织发生了不完全再结晶, 故淬火敏感性更高、孕育期提前.

2.4 TEM观察与分析

图5为固溶直接淬火、330 ℃等温10和300 s淬火态试样的TEM像. 由图可见, 固溶淬火态合金组织晶界清晰, 附近无析出相(图5a); 晶内存在直径约30 nm的深色马蹄状Al₃Zr粒子^[24], Al₃Zr是高温稳定相, 可认为淬火过程中基本没有脱溶析出行为(图5d). 330 ℃等温10 s的淬火态试样中, $\begin{matrix} η \end{matrix}$ (MgZn₂)相沿晶界不连续析出^[25], 因析出相较少, 晶界附近仍有未成为形核核心的Al₃Zr粒子(图5b); 晶内 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相依托Al₃Zr粒子析出, 另有少量直径较大的球状相析出, 据分析^[25]为T (AlZnMgCu)相(图5e). 保温初期固溶体脱溶析出, 淬火态合金电导率开始下降. 延长保温时间至300 s (图5c和f), 晶界析出相继续增多, 沿晶界连续排布并粗化, 部分晶界相与晶内第二相聚集长大; 而晶内开始析出少量针状S(Al₂CuMg)相^[26], $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相析出增多, 并聚集长大, 部分呈片层状化, 直径增大到100 nm, 第二相析出的迅速增加长大以致Al₃Zr粒子完全被覆盖. S曲线拟合结果(0.50<n<0.65)表明, 第二相以针状和片层状相形态交替析出, 与TEM分析结论一致. 保温时间延长导致析出相的数量增多和粗化, 因而合金电导率迅速上升.

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图5 330 ℃保温不同时间后淬火态合金的TEM像

Fig.5 TEM images of quenched alloy after holding at 330 ℃ for 0 s (a, d), 10 s (b, e) and 300 s (c, f) (η—MgZn₂, S—Al₂CuMg, T—AlZnMgCu)

图6为330和380 ℃保温300 s的双级时效态试样的TEM像. 如图6a所示, 330 ℃保温300 s的时效态合金晶界析出物粗大且连续分布, 延续了等温保温淬火态样品(图5c)的晶界特征, 晶界附近的无沉淀析出带(PFZ)宽化严重, 这是因为等温保温过程中晶界析出粗大相, 消耗大量的溶质原子, 导致时效过程弥散点状相析出少; 图6c所示的晶内析出相尺寸与等温保温淬火态试样(图5f)类似, 片层状相和棒状相尺寸约为100 nm, 且存在少量针状S相, 而时效过程几乎没有析出弥散强化相, 是因为晶内溶质原子在等温过程中消耗殆尽. 如图6b所示, 380 ℃保温300 s的时效态合金, 晶界析出物粗化不明显, 仍呈不连续状态, PFZ宽化程度明显小于330 ℃保温300 s的样品, 在离晶界较远处有粗大 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相析出; 如图6d所示, 晶内析出的粗大第二相数量较少, 其尺寸略大于330 ℃保温时的析出相尺寸, 并且在晶内可明显观察到弥散分布的 $\begin{matrix} \overset{′}{η} \end{matrix}$ 相^[27]. 比较合金在不同等温保温温度条件下的TEM像不难发现, 在330 ℃合金第二相脱溶析出速率快于380 ℃, 宏观上表现为电导率上升最快, 也证明了TTT曲线和S曲线中330 ℃析出速度最快的结论.

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图6 不同温度下保温300 s时效态合金的TEM像

Fig.6 TEM images of two-stage aged alloy after holding 300 s at temperatures of 330 ℃ (a, c) and 380 ℃ (b, d) (PFZ—precipitation free zone)

综合分析不同热处理状态下合金的微观组织, 可得出固溶-等温保温-时效过程组织演变规律: 固溶热处理过程溶质原子充分溶入Al基体, 但高温难溶的Al₃Zr粒子残留在晶内. 在等温保温处理早期, 晶界析出不连续的 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相, 晶内 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相以Al₃Zr粒子为形核析出; 随着保温时间的延长, 晶界大量析出 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相, 使在晶界连续排布, 同时晶内析出的 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相数量和尺寸增加; 此外, 等温保温过程伴随极少数S相、T相脱溶析出. 时效过程析出弥散的 $\begin{matrix} \overset{′}{η} \end{matrix}$ 相, 保温过程析出的粗大相未成为其形核核心; 随着等温温度趋近鼻尖温度, 时效强化相的弥散程度和尺寸越小, PFZ宽化程度增大.

3 结论

(1) 7050铝合金的TTT曲线呈“C”型, 鼻尖温度(330 ℃)合金淬火敏感性高, 脱溶析出速度快, 电导率增加速率最高, 高温区(400~450 ℃)淬火敏感性低于低温区(210~270 ℃).

(2) 7050铝合金固溶体在等温保温过程中以Al₃Zr粒子为形核核心的片层状 $\begin{matrix} η \end{matrix}$ 相为主, 针状S相析出为辅, 存在少量球状T相; 在鼻尖温度330 ℃, 随保温时间延长, 析出相体积分数快速增加, 析出相在晶界连续排布且粗化, PFZ发生宽化; 远离鼻尖温度的条件下, 析出相在晶界排布连续化和粗化程度不明显.

(3) 相变动力学方程(JMA)指数n在0.50~0.65之间, 揭示了不同温度下保温合金以片层状相析出为主、针状相析出为辅的析出特性.

The authors have declared that no competing interests exist.

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7050铝合金淬火敏感性研究和微观组织分析*

RESERCH ON QUENCH SENSITIVITY AND MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF 7050 ALUMINUM ALLOY

1 实验方法

2 实验结果与分析

2.1 电导率变化曲线

2.2 TTT曲线

2.3 相变动力学分析

2.4 TEM观察与分析

3 结论

7050铝合金淬火敏感性研究和微观组织分析^*