DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.004

4种均匀化态Al-Zn-Mg-Cu合金的淬透性

李承波^{1, 2, 3}，张新明^{1, 2, 3}，刘胜胆^{2, 3}，韩素琦^{2, 3}，邓运来^{2, 3}

(1. 中南大学 轻合金研究院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

3. 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：通过末端淬火方法研究7075，7050，7055和7085这4种均匀化态合金的淬透性，采用扫描电镜和透射电子显微镜对微观组织进行分析。研究结果表明：这4种均匀化态合金距离喷水端98 mm处的维氏硬度比3 mm处的维氏硬度分别下降33%，6%，7%和5%，7075合金淬透层深度为23 mm，其余3种合金淬透层深度均在100 mm 以上；7075合金慢速淬火时，更多大尺寸的η平衡相和T相倾向于在非共格的E相上析出；时效后平衡相的周围出现明显无沉淀析出带，导致维氏硬度明显下降，淬透性大大降低，而其余3个合金中弥散粒子(Al₃Zr)与基体共格，析出的平衡相粒度较小且数量较少，因而淬透性均较好。

关键词：Al-Zn-Mg-Cu合金；淬透性；弥散粒子；淬火

中图分类号：TG146.21        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)07-1712-07

Hardenability of four homogenized Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloys

LI Chengbo^{1, 2, 3}, ZHANG Xinming^{1, 2, 3}, LIU Shengdan^{2, 3}, HAN Suqi^{2, 3}, DENG Yunlai^{2, 3}

(1. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Changsha 410083, China)

Abstract: The hardenabilities of 7075, 7050, 7055 and 7085 homogenized aluminum alloys were studied by end quenching test, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results show that hardness difference of the four alloys is 33%, 6%, 7% and 5% respectively from spray end to the other one. The hardened depth is about 23 mm for 7075 and above 100 mm for the other three alloys. In 7075 alloy, more equilibrium η and T phases particles with larger size tend to precipitate at incoherent E phase dispersoids during slow quenching. After aging, obvious PFZ can be around the equilibrium phases, causing hardness to decrease distinctly and hardenability to reduce greatly. For other three alloys, Al₃Zr dispersoids are coherent with the Al matrix, which results in less precipitation of smaller equilibrium phases and therefore leads to good hardenability.

Key words: Al-Zn-Mg-Cu alloy; hardenability; dispersoids; quenching

Al-Zn-Mg-Cu合金是时效强化合金，因其具有密度低、强度高、韧性强和耐腐蚀性等特点而被用作航空航天领域的结构材料。但该系合金存在淬火敏感性，即随着淬火速率减小，合金的力学性能会显著降低^[1-2]。合金厚板淬火时，因为表层和心层的冷却速率不同而导致表层和心层的力学性能不均匀和整体性能下降^[3-4]，从而不能满足航空航天工业对该系合金大粒度、厚截面构件尤其是厚板的性能要求，为此，很多学者对如何获得低淬火敏感性和高性能厚板这一问题进行了大量研究。通过调整微量元素Cr，Mn，Ti，Zr和Sc等在高强Al-Zn-Mg-Cu合金中的含量和种类，能够有效地改善合金的晶粒结构，提高合金的韧性、抗应力腐蚀性能以及淬火敏感性。例如，以Zr为微量添加元素的合金(如7050，7055，7085等合金)比以Cr和Mn为微量添加元素的合金(如7075和7049等合金)具有更好的抗应力腐蚀性能^[5]。更重要的是，含Zr的高强铝合金具有较低的淬火敏感性^[5]，所以，这类合金能广泛应用于大规格构件的承力件。研究表明^[6-8]：含Cr和Mn的弥散粒子相界面和基体不共格，从而使得淬火析出平衡相能够优先在这种粒子的相界面上析出；而含Zr的弥散粒子(Al₃Zr)则具有与基体共格的界面，大幅度降低了淬火过程中平衡相在含Zr弥散粒子界面上析出的可能性；部分Al₃Zr弥散粒子也能诱导淬火过程中平衡相析出。可见弥散粒子对合金淬火敏感性的影响十分显著，因此，弥散粒子的调控对提高合金的淬透性具有显著效果。但由于合金变形后引入大量位错，固溶后通常发生部分再结晶，导致影响合金淬火敏感性的因素较复杂。因此，为了单独研究弥散粒子对合金淬透性的影响，必须消除其他因素(亚晶界、晶界)的影响。本文作者选用4种商业常用的铝合金铸锭，经过均匀化但未变形的样品作为研究对象，采用末端淬火方法研究合金的淬透性，以便更深入地认识弥散粒子对Al-Zn-Mg-Cu合金淬透性的影响机理。

1  实验材料及方法

研究所采用的材料为7075，7050，7055和7085铝合金均匀化后的材料，其成分如表1所示。在均匀化态板上切取长×宽×高为25 mm×25 mm×125 mm的端淬样品。一端钻出深度为10 mm、直径为20 mm的凹槽，作为喷水端，另一端钻出深度为10 mm、螺纹直径为5 mm的螺纹孔。在SX-4-10型箱式电阻炉中加热升温至470 ℃，保温1 h后，将样品转移到末端淬火装置^[9]上并迅速向凹槽端喷水冷却，水温约为20 ℃。待样品冷却后，样品放入120 ℃的油浴炉中时效24 h。时效后样品从中间一分为二地按维氏硬度测试的要求打磨表面，从喷淋端开始，每隔5 mm测1次维氏硬度，取与中心线垂直方向上5个维氏硬度的平均值作为淬透性曲线上该位置的维氏硬度，获得维氏硬度与距离的关系曲线。维氏硬度测试仪器为莱州银试验仪器有限公司的HV-5小负载维氏硬度计，载荷为30 N。

在试样不同位置截取样品进行微观组织分析，样品经粗磨、细磨、抛光后在FEI Quanta-200扫描电镜(SEM)上进行显微组织观察和能谱分析。透射电镜分析在荷兰FEI产的TECNAIG²20型透射电镜(TEM)上进行，加速电压为200 kV。透射电镜观察的样品先磨成厚度为0.08 mm薄片，冲成直径为3 mm圆片后进行双喷减薄。电解液为20% HNO₃+80% CH₃OH(体积分数)，温度控制在-20 ℃以下。

2  实验结果

2.1  淬透性曲线

图1(a)所示为4种均匀化态合金的淬透性曲线，4条曲线的变化趋势存在差异，维氏硬度随距喷水端距离的增加而降低，其中7075合金的曲线在较下方且维氏硬度随端距增加下降最显著，7055合金和7050合金维氏硬度较高，而7085合金维氏硬度较低，维氏硬度随端距的增加而下降较慢。为了研究不同合金的维氏硬度变化情况，通过不同合金的淬透性曲线，计算这4种合金的维氏硬度下降程度。随端距增加，维氏硬度保留比例如图1(b)所示。从图1(b)可见：7075合金在63 mm处的维氏硬度下降比例为33%且以后基本不变；7050合金在78 mm处的维氏硬度下降比例为5.5%且此后基本不变；7055合金在68 mm处的维氏硬度下降比例为6.4%且此后基本不变；7085合金两端的维氏硬度相差约5%。若规定维氏硬度下降10%处的端距为淬透层深度，则7050，7055和7085合金的淬透层深度均在100 mm以上，而7075合金淬透层深度约为23 mm。显然，7075合金的淬透性最差，而其余3个合金淬透性较好。

表1  4种合金的化学成分(质量分数)

Table 1  Compositions of four alloys          %

2.2  显微组织分析

图2所示为3种均匀化态合金在距喷水端3 mm处的SEM照片。从图2可以看出：这3种合金均存在一些白色的第二相，经能谱分析，7075和7055合金中的第二相是Al₂CuMg和Al₇Cu₂Fe(见图2(a)~ 2(c))，而7085合金只检测到Al₇Cu₂Fe相(见图2(d))。4个合金第二相统计的面积分数如图3所示。从图3可见：7075合金第二相的面积分数最大，为7.4%，而其余3个合金的第二相面积分数均较小，其中7085合金的第二相面积分数最小，为2.1%；此3个合金中除了存在一些白色的第二相外，观察不到平衡相析出，而在此位置的7075合金中观察到淬火平衡相析出(见图2(b))。

图1  4种均匀化态合金的淬透性曲线

Fig. 1  Hardenability curves of four homogenized alloys

图2  3种均匀化态合金在距喷水端3mm处的SEM照片

Fig. 2  SEM images of three homogenized alloys at 3 mm away from spray end

图3  4种均匀化态合金第二相的面积分数

Fig. 3  Area fraction of second phase of four homogenized alloys

图4所示为3种均匀化态合金在距喷水端98 mm处的SEM照片。从图4可见：7075合金晶内及晶界均有明显的白色析出相，晶界处能看到明显的无沉淀析出带，晶内有大量析出(见图4(a))；而对于7055和7085合金，晶界及晶内能看到一些析出相，晶界的析出较明显，但晶内的析出不明显(见图4(b)和4(c))。这说明冷却速率低时，7055和7085合金淬火析出相很少，淬火敏感性低。

7075合金基体中观察到颗粒状弥散粒子，其形状有圆形、六边形、三角形、长条状及其他不规则形状，平均粒度为(45.4±13.9) nm，面积分数约为10%。能谱分析表明其成分为Al-13.15Zn-8.79Mg-4.09Cu-3.72Cr (质量分数，%)，认为此弥散粒子为E相(Al₁₈Cr₂Mg₃)，与基体非共格^[6]，如图5所示。在7085合金基体中观察到豆瓣状弥散粒子，从基体<011>衍射斑看出此弥散粒子为Al₃Zr粒子，见图6(a)。同时得到Al₃Zr粒子的暗场像(图6(b))，其形状为圆形，粒度比较均匀，平均粒度为(16.1±3.7) nm，面积分数约为2.2%。从图6(c)和图6(d)可以看出Al₃Zr粒子与基体共格。

图7所示为4种均匀化态合金距喷水端98 mm处的TEM照片。7075合金晶内有大量平衡相析出，这与图4(a)所示结果相吻合，其形状为板条状，粒度很大且不均匀，最大可达580 nm，析出相之间没有明显位相关系，如图7(a)所示。由于E相与基体非共格，界面能较高，有利于平衡相的形核，因此，平衡相是以E相作为形核核心形核并长大。在7075铝合金晶内除了可以观察到大量平衡η相外，还能看到一些六边形的析出相，其平均粒度约为150 nm，从基体<111>斑点判断出该相应该是T相，如图7(c)所示。这些平衡相周围的时效析出相明显减少，形成无沉淀析出带(见图7(b))，导致此位置的维氏硬度很低，与3 mm处相比，此处维氏硬度下降显著，因而淬透性很差。而其余的3种合金中，晶内析出的平衡相较少，粒度也较小，并且只有少部分平衡η相是以Al₃Zr粒子作为形核核心。这是由于Al₃Zr粒子与基体共格，界面能较低。未观察到T相析出(如图7(d)~7(f))所示，与3 mm处相比，此处维氏硬度下降较少，因而淬透性较好。

图4  3种均匀化态合金距喷水端98 mm处的SEM照片

Fig. 4  SEM images of three homogenized alloys at 98 mm away from spray end

图5  7075合金中的E相

Fig. 5  E phase of 7075 aluminum alloy

图6  7085合金中的Al₃Zr粒子

Fig. 6  Al₃Zr dispersoids of 7085 aluminum alloy

3  分析与讨论

表2所示为4种均匀化态合金距喷水端98 mm处平衡相的粒度及面积分数。从表2可以看出：7075合金平衡相粒度及面积分数较另外3种合金大很多，分别约为322 nm和25%，其余3种合金的平衡相粒度及面积分数均较小，且它们之间的差别也较小，其中7085合金的平衡相粒度及面积分数最小，分别约为 51 nm和2.5%；7075合金平衡相粒度及面积分数分别为7085合金的6倍和10倍；7075合金两端维氏硬度下降率最大，为33%；7050，7055和7085这3种合金两端的维氏硬度下降率较小，分别约为6%，7%和5%，淬透性都较好。

实验结果表明：7075合金中Zn与Mg质量比最小，为2.18；慢速淬火时有利于析出大量不均匀的平衡相，晶界为平衡相形核析出的有利位置；含Cr的弥散粒子E相界面和基体不共格，从而使得淬火析出平衡相能够优先在这种粒子的相界面上非均匀形核析出。在慢速淬火过程中，合金中析出粒度较大的平衡相粒子，无论是η相、T相都将消耗大量时效强化过程中的重要元素Zn和Mg，降低固溶体过饱和度，不利于后续时效强化相的均匀细小析出^[10]，同时导致析出相周围形成贫溶质原子区域。这些粗大平衡相比较稳定，在时效时会进一步吸收周围的溶质原子继续长大，并在其周围形成无沉淀析出带，典型结果如图7(b)所示。与基体相比，这些无沉淀析出带更软^[10-11]。因此，当合金中存在大量无沉淀析出带时，不仅降低合金的力学性能，也会造成合金淬透性恶化。而含Zr的弥散粒子(Al₃Zr)则具有与基体共格的界面，大幅度降低了淬火过程中平衡相在含Zr弥散粒子界面上析出的可能性，如图7(d)～7(f)所示。对比7050，7055和7085这3种未变形合金的淬透性及微观组织发现：弥散粒子(Al₃Zr)与基体保持共格的界面，主合金成分对淬透性的影响较小。因此，在后续的热变形及热处理过程中，应尽量避免或者减少合金再结晶的发生。这是由于在再结晶发生过程中，晶界迁移会导致Al₃Zr弥散粒子发生共格-不共格转变^[12-13]，不共格的Al₃Zr弥散粒子相界面则会诱导淬火析出相析出，导致合金淬火敏感性增强，厚板的淬透性显著降低^[13-14]。热变形工艺及热处理工艺的协同作用是保证该系合金同时具备高强韧和高淬透性的可能途径。

图7  4种均匀化态合金距喷水端98 mm处的TEM照片

Fig. 7  TEM images of four homogenized alloys at 98 mm away from spray end

表2  4种均匀化态合金距喷水端98 mm处平衡相粒度及面积分数

Table 2  Size and area fraction of equilibrium phase in four homogenized alloys at 98 mm away from spray end

4  结论

1) 7075，7050，7055和7085这4种均匀化态合金距离喷水端98 mm处维氏硬度比3 mm 处的维氏硬度分别下降33%，6%和7%和5%；7075合金淬透层深度为23 mm，其余3个合金淬透层深度均在100 mm 以上。

2) 7075合金中弥散粒子E相与基体非共格，导致淬火速率低时晶内析出粒度更大、数量更多的平衡η相，同时还有T相析出，时效后平衡相的周围出现了明显的无沉淀析出带，导致维氏硬度下降明显，合金的淬透性大大降低，而其余3个均匀化态合金中弥散粒子(Al₃Zr)与基体共格，析出的平衡相粒度较小且数量较少，因而淬透性均较好。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-08-10；修回日期：2016-10-22

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB619500) (Project(2012CB619500) supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China)

通信作者：张新明，教授，博士研究生导师，从事材料科学与工程研究；E-mail: zhang_cn@yahoo.cn