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7A55合金均匀化处理

来源期刊:中国有色金属学报2006年第4期

论文作者:贺永东 张新明 游江海

文章页码:638 - 644

关键词:7A55合金; 均匀化动力学; 枝晶间距

Key words:7A55 alloy; homogenizing dynamics; dendrite arm space

摘    要:采用光学显微镜、 扫描电镜、 能谱分析、 透射电镜和X射线衍射分析等研究了7A55合金铸态与均匀化显微组织演化与成分分布,确定了该合金的均匀化处理温度与过烧温度, 研究了铸锭均匀化动力学过程, 利用菲克定理导出了均匀化动力学方程, 利用动力学方程对均匀化过程中合金元素的扩散、 Al3Zr的析出、 难熔相的聚集和球化现象进行了解释。 根据实验及计算结果, 得出合理均匀化处理工艺为470 ℃均匀化24 h。

Abstract: The microstructure evolution and composition distribution of the 7A55 cast and homogenized alloy were studied by optical microscopy, scanning electron microcopy, energy dispersive spectrometer, transmission electron microscopy and X-ray diffractometry. The homogenizing and overburnt temperatures of the alloy were determined. Meanwhile, the diffusion kinetics of the alloy elements during homogenizing treatment was investigated and the homogenizing kinetic equation was deduced according to Fick's First Law of diffusion. The diffusion of alloy elements, precipitation of Al3Zr particles and the conglomeration and globe of the insoluble phases were explained by the equation during homogenization. According to the results of experiment and calculation, the proper homogenizing process of 7A55 alloy is at 470 ℃ for 24 h.

基金信息:国家重大基础研究资助项目



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7A55合金均匀化处理

贺永东, 张新明, 游江海

(中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)

摘 要: 采用光学显微镜、 扫描电镜、 能谱分析、 透射电镜和X射线衍射分析等研究了7A55合金铸态与均匀化显微组织演化与成分分布, 确定了该合金的均匀化处理温度与过烧温度, 研究了铸锭均匀化动力学过程, 利用菲克定理导出了均匀化动力学方程, 利用动力学方程对均匀化过程中合金元素的扩散、 Al3Zr的析出、 难熔相的聚集和球化现象进行了解释。 根据实验及计算结果, 得出合理均匀化处理工艺为470℃均匀化24h。

关键词: 7A55合金; 均匀化动力学; 枝晶间距 中图分类号: TG113.12

文献标识码: A

Homogenizing treatment of 7A55 alloy

HE Yong-dong, ZHANG Xin-ming, YOU Jiang-hai

(School of Materials Science and Engineering,Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The microstructure evolution and composition distribution of the 7A55 cast and homogenized alloy were studied by optical microscopy, scanning electron microcopy, energy dispersive spectrometer, transmission electron microscopy and X-ray diffractometry. The homogenizing and overburnt temperatures of the alloy were determined. Meanwhile, the diffusion kinetics of the alloy elements during homogenizing treatment was investigated and the homogenizing kinetic equation was deduced according to Ficks First Law of diffusion. The diffusion of alloy elements, precipitation of Al3Zr particles and the conglomeration and globe of the insoluble phases were explained by the equation during homogenization. According to the results of experiment and calculation, the proper homogenizing process of 7A55 alloy is at 470℃ for 24h.

Key words: 7A55 alloy; homogenizing dynamics; dendrite arm space

   超高强Al-Zn-Mg-Cu合金由于合金化程度较高, 在凝固过程中存在枝晶偏析, 晶界存在粗大共晶组织, 晶内和晶界化学成分和组织分布不均匀[1, 2]。 合金在由液态转变为固态过程中, 对溶质的溶解能力会产生突变, 固相中不能容纳的溶质原子富集在结晶前沿的液体层中。 溶质分配系数K〈1的合金元素如Zn、 Mg、 Cu等, 倾向于在晶界和枝晶边界集中; 而溶质分配系数K>1的合金元素如Cr、 Ti、 Zr等, 倾向于在枝晶网络内集中[3-5]。 铸态固溶体组织呈树枝状, 由于晶内组元浓度不一, 在晶界和枝晶界, 成分和组织分布极不均匀, 枝晶网状组织降低合金的塑性、 恶化热加工性能, 使制品强度和塑性降低, 各向异性和腐蚀敏感性增加[6-9]。 为了消除铸锭组织对加工性能和制品最终使用性能带来的危害, 超高强铝合金铸锭热变形前必须进行均匀化处理, 以消除低熔共晶和铸锭组织中的残留相, 改善铸锭的热塑性, 提高合金元素在基体中的固溶度, 孕育析出Al3Zr粒子, 防止合金在热变形过程中发生再结晶, 提高合金的强度。 均匀化过程越彻底, 时效后合金的强度越高[10-12]。 铸锭均匀化是制备超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的一个极重要的工艺过程, 对制品最终性能影响极大。 均匀化过程主要参数是温度和时间, 但温度的影响更大[13]。 本文作者研究了超高强铝合金铸态和均匀化态显微组织演化和合金成分的分布规律, 分析了Al3Zr的析出及难溶相的聚集球化过程, 导出了均匀化动力学方程。 对于优化均匀化工艺, 指导实际生产具有一定的实际意义。

1 实验

以纯度为99.85%一级工业纯铝、 纯铜(99.99%)、 纯锌(99.92%)、 纯镁(99.90%)和Al-5%Cr、 Al-5%Mn、 Cu-10%Zr、 Al-5%Ti-B中间合金为原料, 制备了如表1所列的合金(1号合金)。 合金化学成分在LEEMAN SPEC-E型电感耦合等离子体原子发射光谱仪上测试。 合金铸锭在热风循环退火炉中进行均匀化退火, 退火温度分别为270、 350、 400、 450、 470、 480和490℃, 退火时间分别为24和30h, 退火试样直接淬入室温水中。 采用光学显微镜、 扫描电子显微镜(SEM)观察铸锭枝晶组织、 定性观测枝晶网络溶解程度和残留相的大小、 数量和分布特征。 金相试样采用Kellers试剂腐蚀。 采用线扫描分析晶界及晶内化学成分分布。 用金相法初步确定均匀化过烧温度。 采用双喷电解法(电解液为2: 8硝酸甲醇溶液)制备透射电镜试样, 在透射电镜上观察均匀化合金的微观组织。

表1 1号合金的化学成分

Table 1 Chemical composition of alloy 1# (mass fraction, %)

2 结果与分析

2.1 铸态合金SEM组织

图1所示为添加微量Cr、 Mn、 Ti、 Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织及主要合金元素Zn、 Mg、 Cu在晶内的分布情况。 由图1可知, 铸态组织由树枝状α(Al)相和枝晶间的低熔共晶组成, 基体α(Al)呈等轴状。 晶内和晶界的第二相为S相、 T相、 N相和α(Al)组成的共晶。 图1(b)~(d)所示为元素的面扫描分析, 表明铸锭存在枝晶偏析, 晶界上分布着非平衡第二相, 主要合金元素Zn、 Mg、 Cu在晶界及第二相粒子上存在着明显的富集现象。为消除枝晶偏析并改善热加工性能, 必须对铸锭进行均匀化处理。

图1 铸态Al-Zn-Mg-Cu合金SEM显微组织及元素分布

Fig.1 Microstructure and elements distribution of as-cast Al-Zn-Mg-Cu alloy

2.2 铸态合金的DTA分析

图2所示为实验合金在差热分析仪上测得的DTA曲线。 由图2可看出, 铸锭在450.45、 474.06和632.33℃处有吸热峰, 450.45℃对应于Al3Zr粒子开始析出的温度, 474.06℃对应于非平衡结晶过程中形成的伪共晶组织开始溶化的温度, 632.33℃为合金的熔化终了温度。 由此确定铸锭均匀化温度范围不能超过474.06℃。

图2 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金DTA分析

Fig.2 DTA analysis of Al-Zn-Mg-Cu-Zr alloy

2.3 均匀化态合金光学显微组织

图3所示为不同均匀化温度下合金光学显微组织。 由图3可看出, 合金经450℃保温24h处理后, 晶界上非平衡低熔点共晶相逐渐溶解, 枝晶网络变稀, 残留相逐渐减少; 合金经470℃保温24h后, 晶界已十分细小, 枝晶偏析和非平衡相基本消除; 合金经480℃均匀化保温24h时, 合金中开始出现三角晶界和少量复熔球, 出现轻微的过烧组织; 合金经490℃均匀化时, 出现大量的三角晶界和复熔球, 合金处于严重过烧状态, 表明合金均匀化温度上限为470℃。

2.4 均匀化态合金显微组织与成分分布

图4所示为合金经均匀化处理后的显微组织。

图3 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金不同温度均匀化处理后的显微组织

Fig.3 Microstructures of Al-Zn-Mg-Cu-Zr alloy homogenized at different temperatures

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