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固溶处理对喷射沉积含镍高强Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2009年第12期

论文作者:李振亮 谢建新 陈 伟 翟 景 任慧平 王玉峰

文章页码:2099 - 2105

关键词:Al-Zn-Mg-Cu合金;镍元素;固溶处理;喷射沉积

Key words:Al-Zn-Mg-Cu alloy; Nickel element; solid-solution treatment; spraying deposition

摘    要:采用喷射沉积技术制备Al-8.2Zn-2.2Mg-2.1Cu-0.14Zr-1.0Ni(质量分数,%)合金沉积坯,沉积坯经热挤压变形后在不同温度固溶处理,然后在(130 ℃, 24 h)条件下进行T6时效处理。通过对组织和性能分析,确定最佳固溶处理工艺。结果表明:加入1%Ni后沉积坯晶粒细小均匀,平均直径为15 μm左右;在晶界和基体中有富Ni的Al3Ni2、Al7Cu4Ni 、MgNi2第二相粒子出现,这些粒子在合金中主要起到弥散强化的作用;溶质元素Zn、Mg、Cu的沉淀析出强化与球形富Ni粒子的弥散强化共同作用是使含1%Ni-7055铝合金具有高强度高塑性的主要因素;经挤压变形(λ=3)和(475 ℃, 1.5 h)+(130 ℃, 24 h)热处理后,合金管材纵向抗拉强度可达到690 MPa、伸长率为9.6%、布氏硬度为HB192。

Abstract: High strength Al-8.2Zn-2.2Mg-2.1Cu -0.14Zr-1.0Ni(mass fraction, %) alloys, which was produced by spraying deposition method(the Osprey process), were heat treated at different solid-solutions, and all the aging treatments were at 130 ℃for 24 h. Microstructure characterization of the alloy was carried out by SEM, EDS and XRD, and the tensile properties of the alloy were tested. The result shows that many Ni-rich particles of Al3Ni2, Al7Cu4Ni and MgNi2, which provide a dispersive strengthening effect in the following solid-solution and ageing treatment, are dispersed both in grain-boundary and grain. The average grain size is approximately 15 μm. The remarkable strengthening while maintaining high levels of ductility is predominantly attributed to the precipitation hardening of solute elements and the dispersoid strength of spheroid Ni-rich particles. The highest ultimate tensile strength(UTS) for the pipe alloy(at an extrusion ratio of 3:1) is 690 MPa at a ductility of 9.6% after the optimized solid solution and T6 aging.

基金信息:内蒙古自然科学基金资助项目
内蒙古高等学校科学基金资助项目



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0文章编号:1004-0609(2009)12-2099-07

固溶处理对喷射沉积含镍高强Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

李振亮1, 3,谢建新1,陈  伟2,翟  景2,任慧平3,王玉峰3

(1. 北京科技大学 材料科学与工程学院,北京100083;

2. 中国兵器科学研究院 宁波分院,宁波 315103;

3. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院,包头 014010)

摘  要:采用喷射沉积技术制备Al-8.2Zn-2.2Mg-2.1Cu-0.14Zr-1.0Ni(质量分数,%)合金沉积坯,沉积坯经热挤压变形后在不同温度固溶处理,然后在(130 ℃, 24 h)条件下进行T6时效处理。通过对组织和性能分析,确定最佳固溶处理工艺。结果表明:加入1%Ni后沉积坯晶粒细小均匀,平均直径为15 μm左右;在晶界和基体中有富Ni的Al3Ni2、Al7Cu4Ni 、MgNi2第二相粒子出现,这些粒子在合金中主要起到弥散强化的作用;溶质元素Zn、Mg、Cu的沉淀析出强化与球形富Ni粒子的弥散强化共同作用是使含1%Ni-7055铝合金具有高强度高塑性的主要因素;经挤压变形(λ=3)和(475 ℃, 1.5 h)+(130 ℃, 24 h)热处理后,合金管材纵向抗拉强度可达到690 MPa、伸长率为9.6%、布氏硬度为HB192。

关键词:Al-Zn-Mg-Cu合金;镍元素;固溶处理;喷射沉积

中图分类号:TG146.2       文献标识码: A

Effects of solid-solution on microstructure and property of high strength spray deposited Al-Zn-Mg-Cu alloy modified by Ni

LI Zhen-liang1, 3, Xie Jian-xin1, CHEN Wei2, ZHAI Jing2, REN Hui-ping3, WANG Yu-feng3

 (1. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Ningbo 315103, China;

3. School of Material and metallurgy, University of Science and Technology Inner Mongolia, Baotou 014010, China)

Abstract: High strength Al-8.2Zn-2.2Mg-2.1Cu -0.14Zr-1.0Ni(mass fraction, %) alloys, which was produced by spraying deposition method(the Osprey process), were heat treated at different solid-solutions, and all the aging treatments were at 130 ℃for 24 h. Microstructure characterization of the alloy was carried out by SEM, EDS and XRD, and the tensile properties of the alloy were tested. The result shows that many Ni-rich particles of Al3Ni2, Al7Cu4Ni and MgNi2, which provide a dispersive strengthening effect in the following solid-solution and ageing treatment, are dispersed both in grain-boundary and grain. The average grain size is approximately 15 μm. The remarkable strengthening while maintaining high levels of ductility is predominantly attributed to the precipitation hardening of solute elements and the dispersoid strength of spheroid Ni-rich particles. The highest ultimate tensile strength(UTS) for the pipe alloy(at an extrusion ratio of 3?1) is 690 MPa at a ductility of 9.6% after the optimized solid solution and T6 aging.

Key words: Al-Zn-Mg-Cu alloy; Nickel element; solid-solution treatment; spraying deposition

7055铝合金是目前世界上工业化应用中强度最高的一种Al-Zn-Mg-Cu系结构材料,20世纪90年代由ALCOA公司开发并用于波音777飞机机翼。近年来国内外学者对7055的性能进行了大量研究,其最高强度已达到740 MPa左右并保持较高的伸长率,但这些性能主要是实验室小试件或大挤压比下获得的[1-5]

在Al-Zn-Mg-Cu合金中加入少量Ni能改变合金析出贯序,Ni+Fe或Ni+Zr联合作用能明显提高合金的室温和高温强度,并且在室温下表现出“强度与伸长率、断裂韧性同时增长”的特性[6-10]。由于喷射沉积制备方法能显著提高zn、Mg等元素在铝合金中的固溶度,细化合金晶粒和减少偏析[11-14],因此,研究高质量分数Ni在快速凝固工艺制备的铝合金中的存在形式与作用,为解决工业化生产中7055大型管材(d>150 mm)的热挤压开裂与100~200 ℃服役条件下材料的热稳定性等难题提供了一条重要途径,国内未见有相关报道。

本文作者在7055铝合金基础上添加1.0%Ni,经喷射沉积制坯、挤压预变形(挤压比3)后,研究固溶和时效处理对该合金室温组织、性能的影响规律,为合金进一步成分优化与高温性能开发提供参考。

1  实验

本研究中把不 含Ni的7055合金(以下简称为“合金A”)作为组织性能对比的参照对象 ,重点研究添加1.0%Ni(质量分数)7055合金(以下简称为“合金B”)的组织与性能;其它主要元素的含量为:Zn8.2, Mg2.2, Cu2.1, Zr0.14, Fe、Si均小于0.1,其余为Al(质量分  数,%)。

喷射沉积实验在英国产Osprey喷射沉积设备上进行,具体工艺参数如下:采用二级雾化,雾化气体为高压管道工业氮气,主气路压力0.5~0.75 MPa;雾化温度780~830 ℃;雾化距离400~500 mm, 沉积盘旋转频率5~6 Hz;沉积圆棒坯直径240~260 mm。

将沉积态合金锭坯加工成规定的坯料尺寸,然后在挤压温度420 ℃、挤压比为3的热挤压条件下挤成外径194 mm、壁厚14 mm管材,再经460~490 ℃的固溶处理和T6时效处理获得所需的分析试样。

通过NETZSCH STA449C示差扫描量热分析仪(DSC)确定合理的挤压和固溶处理的温度范围,DSC热分析时采用高纯氩气保护、加热速率为10 K/min;沉积态、挤压态、热处理态样品的组织观察采用Quanta400型扫描电镜(SEM)及其能谱(EDS);X射线衍射分析(CuKα)采用德国Bruker公司D8 Advance衍射仪。拉伸实验在CMT-5305电子拉伸机上进行。

2  实验结果

2.1  沉积态组织

图1所示为合金B的喷射沉积态SEM像。从图1可看出,合金晶粒为晶界明显、尺寸均匀的等轴晶,晶粒尺寸在10~30 μm范围内。在图1中还可以看到主要脱溶颗粒被侵蚀掉后在基体中留下的“黑坑”。

图1  沉积态合金B的SEM像

Fig.1  SEM image of as-deposited alloy B (1%Ni-7055 alloy)

对图1中晶界上的白色物相进行EDS点扫描,分析结果见图2 。从图2中可看出,晶界白色物相除了Al、Zn和Cu外,主要是Ni元素,Mg元素非常少。

图2  沉积态合金B晶界白色物相EDS谱

Fig.2  EDS pattern of as-deposited alloy B for white precipitation

另外,对合金B基体(注:指晶粒中除白色物相与“黑坑”以外的基体部分)进行EDS点扫描,结果主要是Al、Zn、Mg和Cu元素,而并未检测到Ni元素(EDS结果不再单独列出)。

沉积态合金B的XRD分析结果如图3所示。从图3中可知,沉积态合金B中主要由α(Al)、MgZn2、Cu3Al2、Al3Ni2、Al2CuMg(S相)和Al7Cu4Ni组成。从各组成相的衍射峰强度可看出α(Al)含量最多、MgZn2次之。因此,可判断图1中晶界上的白色富Ni相主要组成为Al3Ni2和Al7Cu4Ni两种。

图3  合金B沉积态的XRD谱

Fig.3  XRD pattern of as-deposited alloy B

图4所示为沉积态合金B基体在脱溶颗粒侵蚀掉后留下“黑坑”的SEM像。对黑坑进行EDS分析发现,组成元素种类与图2中的相同,不同之处在于Ni的峰值已明显降低。因此,基体晶粒中富Ni相主要是以某种物相存在于晶粒内部区域中,而固溶进入铝基体中的Ni检测不到。

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