简介概要

高温处理对7175铝合金锻件抗应力腐蚀性能的影响

来源期刊：稀有金属2001年第3期

论文作者：宛亚坤张辉彭大暑林高用

关键词：7175铝合金; 高温处理; 抗应力腐蚀;

摘要：研究了锻坯高温处理对 7175 铝合金锻件抗应力腐蚀性能的影响，并对其影响机理进行了分析。高温处理可明显提高7175铝合金锻件的抗应力腐蚀性能；含铬析出相及无析出带(PFZ)的形成，是提高该合金抗应力腐蚀性能的根本原因。

稀有金属 2001,(03),235-237 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.03.025

高温处理对7175铝合金锻件抗应力腐蚀性能的影响

张辉彭大暑宛亚坤

中南大学材料科学与工程系!长沙410083,中南大学材料科学与工程系!长沙410083,中南大学材料科学与工程系!长沙410083,东北轻合金有限责任公司!哈尔滨150060

摘要：

研究了锻坯高温处理对 7175铝合金锻件抗应力腐蚀性能的影响 , 并对其影响机理进行了分析。高温处理可明显提高 7175铝合金锻件的抗应力腐蚀性能 ;含铬析出相及无析出带 (PFZ) 的形成 , 是提高该合金抗应力腐蚀性能的根本原因。

关键词：

7175铝合金;高温处理;抗应力腐蚀;

中图分类号： TG174.4

收稿日期：2000-08-28

基金：国家重点基础研究发展规划项目! (973) 资助 (G19990 6 490 0 8-5 );

Effect of High Temperature Treatment on Property of Stress Corrosion Resistance of 7175 Aluminum Alloy Forging

Abstract：

The effects of a kind of special high temperature treatment on stress corrosion resistance of 7175 aluminum alloy forgings were studied, and the mechanism of the effects was explained. The results show that this special heat treatment facilitates precipitating of the fine particles containing Cr element and forming of PFZ (Precipitate Free Zone) , which obviously enhance the property of stress corrosion resistance of 7175 aluminum alloy forgings.

Keyword：

aluminum alloy; high temperature treatment; stress corrosion resistance;

Received： 2000-08-28

7175铝合金是在7075铝合金的基础上通过降低铁、硅杂质含量而获得的改型合金, 其T74状态的锻件不仅强度高, 而且抗应力腐蚀性能非常好, 克服了7075-T6和T73两种状态的缺陷 ^[1] , 是一种较理想的新型航空结构材料。但7175-T74铝合金锻件属于美国一项未公开的专利技术 ^[2] 。为了获得7175-T74态的性能, 国内某厂研制了一套新型生产工艺, 其中一项关键技术就是在锻造前对锻坯实施一种高温均热处理。这种特殊高温处理是将挤压态锻坯加热到高于合金正常的非平衡相复熔温度并保温一定时间, 其目的是使残留的非平衡相和时效强化相最大限度地固溶到基体中, 并且均匀分布, 提高固溶处理后固溶体的浓度, 从而提高时效后合金的综合性能。本文在此基础上通过实验比较, 研究了这种高温热处理对7175铝合金锻件抗应力腐蚀性能的影响, 旨在为实际生产工艺的制定和优化提供依据。

1 实验

实验材料为国内某厂提供的7175铝合金挤压棒, 其化学成分 (质量分数) 为:Al- (5.1~6.1) %Zn- (2.1~2.9) %Mg- (1.2~2.0) %Cu-0.10%Mn- (0.18~0.23) %Cr-0.10%Ti-0.20%Fe-0.15%Si。锻坯经480~500℃/6 h 的高温均热处理, 在380~430℃实施自由锻造, 然后进行 (460~480) ℃/2 h 的固溶处理和 (100~120) ℃/ (5~8) h + (160~190) ℃/ (5~8) h 的双级时效处理。在 NEOPHOTZ-Ⅱ 型投影金相显微镜上进行金相组织分析, 在 DXA4-10 型透射电子显微镜上进行 TEM 分析;应力腐蚀实验采用“C”形环试样, 严格按照与美国 ASTMG47 标准等效的 HB5359-83 方法进行实验, 腐蚀实验溶液为 3% 的 NaCl 水溶液, 并对试样施加一定的应力, 应力施加方向为试样的短横向 (S向) , 裂纹扩展方向分别为纵向 (L向) 和横向 (T 向) 。

2 结果及讨论

应力腐蚀实验结果表明, 经固溶和时效处理的 7175 铝合金锻件, 无论锻前是否经过高温处理, 其抗应力腐蚀性能均超过美国 ASTMG47 标准 (施加 241 MPa 应力, 20天内不发生腐蚀开裂) , 经高温处理的锻件更是远远高于这一标准。使用单位反馈的抗应力腐蚀结果表明, 在试验载荷为美国资料中最高的 415 MPa 时, S-L 向“C”形环试样寿命为82天, S-T向“C”形环试样寿命为60天, 在国外资料中找不到类似的长寿命试验结果。此外, 按 GB12445-90 方法测定的应力腐蚀开裂门槛值 K_ISCC和裂纹扩展速率 da/dt 结果表明, 经高温处理的锻件的 K_ISCC (~21.5 MN/m^3/2) 明显高于未经高温处理的锻件试样的 K_ISCC (10.9~16.4MN/m^3/2) , 而前者的 da/dt 值 (2.3×10^-10) 则比后者的 da/dt 值 (2.12×10^-8~3.74×10^-9) 低 1~2 个数量级。

在新工艺下7175铝合金既保证了高的强度, 又具有优异的抗应力腐蚀性能, 这是与其内部组织结构密切相关的。能谱分析和电子探针分析结果均表明, 在7175铝合金锻件中, 不仅发现S相 (CuMgAl₂) 、T相 (AlZnMgCu) 和Mg₂Si相, 而且还有 Al-Cr、Al-Cu-Fe、Al-Fe-Si 等杂质相。高温处理对其中的含铬相的影响最为显著, 这种圆点状析出相将强烈阻碍位错与晶界运动, 提高再结晶温度和形核率, 对合金的性能有着非常重要的影响 ^[3] 。

图1为7175锻件固溶及时效后的金相组织。由图可见, 经高温处理和未经高温处理的锻件, 其金相组织均为再结晶组织, 但前者组织细小, 晶粒大小较为均匀, 再结晶未完全, 亚晶较多, 后者则与之相反。这是因为高温均热处理有利于富铬相的弥散析出, 提高了合金再结晶温度和形核率, 从而获得具有较好耐蚀性能的均匀细晶组织。

图2所示为 7175 铝合金锻件时效后的 TEM 组织。由图可见, 经高温处理的组织中, 晶间析出相的尺寸较小, 尺寸在22~55 nm之间, 间距为65~115 nm, 无析出带的宽度较宽 (120~130 nm) ;而未经高温处理的组织则相反, 晶间析出相的尺寸在 90~140 nm之间, 间距为90~165 nm, 无析出带的宽度较窄 (75~95 nm) 。

图1 7175 铝合金锻件的金相组织 (a) 经高温处理锻件纵向组织; (b) 未经高温处理锻件纵向组织 Fig.1 Metallurgraphic structure of 7175 aluminum alloy forging

图2 7175 铝合金锻件的透射电镜组织 (a) 毛坯未经高温处理; (b) 毛坯经高温处理 Fig.2 TEM analysis of 7175 aluminum alloy forging

上述组织差别显然与高温处理有关, 经高温处理的组织基体析出相细小弥散, 就是因为经过高温处理, 晶内和晶间强化相溶解得彻底, 成分较均匀, 晶间残留相也较少, 固溶处理后固溶体的过饱和度高, 可促进强化相的弥散析出, 所以时效后基体和晶界析出相尺寸小, 弥散度高;也正是因为成分均匀, 晶界附近的溶质偏析也较轻, 二级时效时晶界沉淀相 GBP (Grain Boundary Precipitate) 的生长进一步降低了晶界两侧的溶质浓度, 所以形成了较宽的溶质贫乏型无析出带PFZ (Precipitate Free Zone) ^[4] , GBP明显球化, 呈断续分布。而未经高温处理的组织, 一是成分均匀性差, 二是晶内和晶界残留相多, 淬火后固溶体的过饱和度较低, 所以时效后晶内和晶界析出相粗大, 晶内相数量较少, 而且分布得也不均匀;再由于晶界残留相本来就较大, 晶界附近溶质偏析程度也较大, 晶界相不过多地依靠吸收晶界附近的溶质原子而长大, 因此无析出带PFZ的宽度较窄。

应力腐蚀试样断口组织扫描分析表明, 经高温处理的锻件的断口组织, 其特征是以韧性断裂为主, 韧性撕裂部分多, 韧窝深而多, 这显然与含铬相较多, 晶界相以及晶粒较为细小有关;而未经高温处理锻件的断口组织, 主要是沿晶脆性断口, 韧性撕裂部分少, 韧窝也较浅, 这是因为其含铬相少, 晶界相和晶粒粗大所致。由此看见, 高温处理对锻件断口的韧性化有良好的影响, 从而有利于提高合金的应力腐蚀断裂寿命。

高强度铝合金应力腐蚀机理的学说很多, 但至今没有一个成熟的理论模型。其中较成功的主要有阳极溶解模型和氢脆模型两种 ^[1] 。两种模型都能够解释7075-T73状态良好的抗应力腐蚀性能。典型的T73状态组织是以晶界上较大而不连续的晶界析出相和较宽的无析出带PFZ为基本特征的。本实验就是在7075-T73生产工艺的基础上, 增加了高温处理工序。也就是要在保留T73状态良好的抗应力腐蚀性能的情况下, 恢复因过时效而损失的强度。

图2 (b) 所示就具有典型的T73状态组织特征 ^[5] 。

经过高温处理的7175锻件之所以获得了良好的抗应力腐蚀性能, 就上述两种学说, 在本实验中都可以得到很好的解释。从图2可以看到, 由于高温处理产生的充分固溶及含铬相对晶界析出相分布的影响, 二级时效后晶界沉淀相GBP不仅球化、间断, 而且体积分数很小, 正好配合适当宽度的无析出带PFZ。从阳极溶解模型来看, 这种PFZ可以阻断应力腐蚀条件下应力腐蚀的阳极通道, 因此增强了对应力腐蚀的抵抗能力;从氢脆学模型看, 由于基体强化相析出充分, 晶界相细小, 减少了无析出带和晶界上自由镁的含量, 因而降低了“Mg-H”气团生成的可能性, 防止了晶界吸氢脆化, 从而提高了抗应力腐蚀性能。