淬火水溫對7075 鋁合金鍛件綜合性能的影響

2020-09-05 鍛造與衝壓

7075 鋁合金屬於Al-Zn-Mg-Cu 系合金，被廣泛應用於現代航空航天工業和一些民用交通運輸業，具有密度小、強度高、抗腐蝕性能以及加工性能好等優點。近年來，飛機構件的整體化、大型化要求採用高性能的厚截面鋁合金材料（如大鍛件和超厚板），以減輕重量，降低成本，提高可靠性。

7075鋁合金作為典型的可熱處理的強化鋁合金，其生產的構件厚度大，由於厚截面材料固溶後淬火時，中心層往往難以獲得足夠高的冷卻速率，導致鍛件內外組織和性能有很大的差異，外表面冷卻太快，縱向屈服強度超出指標，心部性能因為固溶不充分導致鍛件熱處理返修甚至鍛件報廢。因此本文以7075 鋁合金大厚鍛件(有效厚度≥140mm)為對象，固溶採用不同的淬火水溫20 ～35℃、60 ～85℃獲得不同的冷卻速率，從而研究固溶後水淬的水溫對其時效後的電導率、金相組織和室溫拉伸性能的影響。

試驗方法

試驗準備

研究尺寸為φ190mm×450mm、有效厚度為140mm 的20 件7075-T7352 鋁合金自由鍛件，T7352狀態為熱處理固溶後加1%～5%的冷變形，本試驗選用3%的冷變形。7075 鋁合金的化學成分(質量分數%)為：5.7Zn、2.5Mg、1.6Cu、0.2Zr、0.097Fe、0.037Si，其他元素總和小於0.24，餘量為Al。所有鍛件平行放置於裝料板上，鍛件之間要保證一定的間隙，鍛件在空氣循環電爐中固溶，隨爐升溫，具體的熱處理參數見表1。

時效後進行電導率、室溫拉伸性能和顯微組織的測試。鍛件表面粗加工，粗加工後需一定時間的靜置，然後再進行電導率的檢測，電導率檢測在渦流電導儀1752 上進行，每個鍛件上均勻打5 個點，遵循AMS-A-22771 標準，得到電導率(%IACS)。鍛件的室溫拉伸性能測試在Cl-3001 材料試驗機上進行，遵循ASTM E8/E8M-16a 標準，得到抗拉強度(Rm)、屈服強度(RP0.2)和延伸率(A)，每種狀態測試3 個樣品(表皮縱向1 根、表皮橫向1 根、心部約90mm 處高向1 根)。高倍試樣用腐蝕液HF∶HCl∶HNO3∶H20=2∶3∶5∶190 腐 蝕 後，採 用Cl-2001 光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

表1 7075 鋁合金鍛件的熱處理參數和鍛件數量及標識

試驗結果和討論

高倍組織

固溶採用不同淬火水溫，雙級時效後7075-T7352 鋁合金的顯微組織都無過熱、過燒組織，淬火水溫20 ～35℃的7075-T7352 鋁合金的金相照片如圖1 所示。淬火水溫60 ～85℃的7075-T7352 鋁合金的金相照片如圖2 所示。由圖1 和圖2 可以看出顯微組織主要有白色的Al 基體和黑色、暗黑色的η'(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2CuMg)等第二相粒子組成，圖2(a)、(b)對比圖1(a)、(b)，可以明顯看出，圖1 黑色第二強化相更細小些，圖2(c)對比圖1(c)，可以明顯看出，圖2(c)組織相對較亮，對於含Cu、Zn 的合金在再結晶晶粒間還有不同的顏色對比度，對比度越大，說明合金固溶越充分，也可說明圖1(c)相對固溶不充分。

電導率和力學性能

由表2 可知，隨著固溶淬火冷卻速率的升高，淬火水溫60 ～85℃試樣電導率提高了2%IACS，同時不同方向力學性能的差異性小。電導率高、性能差異性小也是組織均勻的反映。組織越細小、均勻，鍛件的電導率越高、性能數據越穩定，這也與圖2(a)、(b)、(c)組織結果相吻合。

隨著固溶淬火冷卻速率的升高，鍛件表皮的強度降了5 ～9KSI，結合圖1(a)、(b)黑色第二強化相細小，且分布均勻，心部性能反升了6KSI，這也符合圖1(c)相對固溶不充分，從而引起固溶體的過飽和度下降，導致鍛件心部強度不足。圖1(c)相對固溶不充分還導致了固溶淬火水溫20 ～35℃試樣的高向比縱、橫向的抗拉強度相差13KSI，屈服強度相差17KSI(表2)。遵循AMS22771 標準，標準中要求鍛件的電導率在38%IACS ～39.9%IACS 之間，試樣的縱向屈服強度≤60.9KSI。由表2 縱向屈服強度可以看出，超出標準(～3KSI)，而固溶淬火水溫60 ～85℃的試樣三個方向均滿足其標準的要求。

結合表2 固溶淬火水溫20 ～35℃的鍛件的內外性能差異，本文針對性的對淬火水溫20 ～35℃的試樣的心部90mm、表面、1/2 厚(50mm)處進行力學性能的分析。

圖1 (a)縱向/(b)橫向/(c)高向

圖2 (a)縱向/(b)橫向/(c)高向


表2 7075-T7352 鋁合金鍛件雙級時效後的力學性能和電導率

表3 在不同取樣位置的力學性能

試樣在不同取樣位置的力學性能

由表3 可知，淬火介質水溫20 ～35℃的鍛件，縱向抗拉強度從表皮、35mm、55mm 依次下降6.7KSI、1.5KSI；屈服強度依次下降6.4KSI、1.3KSI。試樣橫向抗拉強度從表皮、35mm、55mm 依次下降8.8KSI、1.5KSI；屈服強度依次下降11.1 KSI、0.8KSI。試樣高向抗拉強度從20mm 、35mm、90mm 依次下降4.5KSI、2.8KSI；屈服強度依次下降5.2KSI、1.7KSI。縱向和橫向距表皮55mm 處取樣，縱、橫向抗拉強度均壓線，說明該自由鍛件(有效厚度約為140mm)的淬透性約為55mm。

結論

採用電導率測試、金相組織、室溫拉伸手段研究了淬火水溫對7075 厚鋁合金自由鍛件力學性能的影響，結果表明：⑴7075 材料對水溫的敏感性高，鍛件淬火的冷卻速度快慢影響鍛件的內外性能差異，固溶淬火水溫60 ～85℃三個方向的雙級時效後性能差異小，固溶淬火水溫20 ～35℃，雙級時效後高向的強度對比水溫60℃～85℃差異最大約13 ～17KSI。⑵7075-T7352 鍛件固溶淬火水溫60 ～85℃較水溫20 ～35℃，雙級時效後電導率提高了2%IACS，雙級時效後金相組織均勻，且三個方向都存在一定的方向性。⑶7075-T7352 鍛件有效厚度約為140mm，固溶淬火水溫20 ～35℃的淬透性約為55mm。


【來 源】《鍛造與衝壓》 2020年第15期


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