稀有金属 2008,(03),274-278 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.03.012

7050合金半连续铸锭中结晶相及其均匀化处理

李念奎 丛福官 田妮 赵刚

东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,东北轻合金有限责任公司,东北轻合金有限责任公司,东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室 辽宁沈阳110004,黑龙江哈尔滨150060,黑龙江哈尔滨150060,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004

摘 要：

采用DSC、金相、扫描电镜及能谱分析、X射线衍射相分析等方法, 研究了7050合金Φ200mm半连续铸锭的结晶相及其在470℃均匀化处理过程的变化规律。结果表明:7050合金半连续铸锭中存在大量非平衡凝固共晶体, 其过烧温度为477℃, 共晶体中的非基体共晶相为MgZn2型晶体结构的含AlZnMgCu元素的非平衡第二相;在均匀化处理过程中, 该非平衡凝固共晶体不仅向合金基体溶解还转变成Al2CuMg (S相) , S相在该合金中的熔化温度为490℃左右;在470℃均匀化处理时, 半连续铸锭中含Zn结晶相于12h前全部消失, 其中部分形成S相, 但在470℃均匀化处理时, S相不能完全溶入合金基体。铸锭中还存在少量的块状Al7Cu2Fe相, 该相在均匀化处理过程中基本保持不变。

关键词：

7050铝合金;半连续铸锭;均匀化处理;结晶相;

中图分类号： TG27

作者简介：赵刚 (E-mail:zhaog@mail.neu.edu.cn) ;

收稿日期：2007-10-29

Constituent and Homogenizing Treatment of Semicontinuous Casting Ingot of 7050 Aluminum Alloy

Abstract：

The constituent of the Φ 201 mm semicontinuous casting ingot of 7050 aluminum alloy and their evolution during homogenizing treatment at 470 ℃ were studied by means of differential scanning calorimeter (DSC) , optical microscope (OM) , scanning electron microscope with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) and X-ray diffraction (XRD) analysis. The results showed that semicontinuous casting ingot of 7050 aluminum alloy included a large number of nonequilibrium eutectic whose overheating temperature was 477 ℃, a nonequilibrium second phase which contained AlZnMgCu with the crystal structure of MgZn2 in the eutectic. During homogenizing treatment, nonequilibrium eutectic not only dissolved into the matrix, but also transforms to Al2CuMg (S phase) which was melted at 490 ℃ in this alloy. When homogenizing at 470 ℃, Zn element in the second phase of the nonequilibrium eutectic dissolved into its matrix completely before homogenizing treatment for 12 h, and some of Zn phases transformed to Al2CuMg (S phase) . However, S phase did not dissolve completely into the matrix alloy when homogenized at 470 ℃. In the alloy ingot there were a few block Al7Cu2Fe phases in, which changed a little after homogenizing treatment.

Keyword：

7050 aluminum alloy; semicontinuous casting ingot; homogenizing treatment; constituent;

Received： 2007-10-29

7050合金是航空航天领域亟须的轻质金属结构材料 ^[1] , 主要采用半连续铸造生产铸锭, 再进行塑性加工成材。 由于该合金具有较高的Zn, Mg, Cu含量, 其半连续铸锭中存在大量的非平衡凝固结晶相 ^[2,3,4] , 必须通过铸锭均匀化处理将其消除 ^[5,6,7] , 否则不仅对材料的塑性加工不利, 而且影响材料的使用性能 ^[8,9,10,11] 。 为了制定合适的铸锭均匀化处理工艺, 需要了解其半连续铸锭中存在的非平衡凝固结晶相的种类及其在铸锭均匀化处理过程中溶解消失的规律。 本文研究了7050合金半连续铸锭中的结晶相及其在常规工业均匀化处理过程中的变化规律, 为获得高质量锭坯奠定基础。

1 实 验

实验所用材料为电炉熔炼且半连续铸造的7050合金Φ 200 mm铸锭, 成分如表1所示。 从铸锭表面至中心1/2处切取25 mm×25 mm×30 mm的样品。 采用热空气循环井式炉在470 ℃对样品进行不同时间的均匀化处理后出炉空冷。 将均匀化处理后的样品表面机械加工去掉2 mm厚的表皮, 然后在样品的铸锭横截面位置切取3 mm厚的薄片制备DSC样品, 再将其切面磨平作为显微组织的观察面。

采用OLYMPUS GX71型金相显微镜、 SSX-550型扫描电镜及附带的能谱仪进行显微组织观察及相成分分析, X射线衍射仪的型号为PW3040/60。 采用DSC131型热分析仪研究均匀化处理过程的相转变规律, 其加热速度为10 ℃·min^-1, 由室温加热到550 ℃。

2 结果与分析

2.1 7050合金半连续铸锭的铸态组织及其过烧温度

7050合金Φ 200 mm半连续铸锭的金相组织及其DSC分析结果如图1所示。 由图1 (a) 可见, 合金铸锭中存在严重的枝晶偏析, 在枝晶臂间存在大量的结晶相, 包括浅灰色片层状非平衡凝固共晶体和少量的深灰色条或块状相。 7050合金Φ200 mm半连续铸锭的DSC分析曲线在477 ℃出现一个明显的吸热峰 (图1 (b) ) , 说明合金铸锭中存在大量的对应477 ℃熔化的产物, 该温度即为该合金半连续铸锭的常规过烧温度, 因此工业均匀化处理温度不高于470 ℃ ^[12,13] 。

表1 7050合金的化学成分

Table 1Chemical composition of 7050 aluminum alloy (%, mass fraction)

Zn	Mg	Cu	Zr	Fe	Si	Al
6.2	2.3	2.3	0.14	≤0.1	≤0.08	Balance

图2为7050合金Φ 200 mm半连续铸锭的扫描电镜组织及其能谱分析结果。 可见, 组织中有深灰色块状结晶相和白亮片层状共晶体 (其片层宽度有所不同) 。 能谱分析证明, 深灰色块状结晶相含AlCuFe, 其成分与Al₇Cu₂Fe相近, 如箭头1所示。 组织中的白亮片层状共晶体含有AlZnMgCu, 如箭头2和3所示。 7050合金在平衡冷却凝固时不应出现共晶反应, 但由于半连续铸造冷却速度快, 发生非平衡凝固, 因此产生严重的枝晶偏析并形成大量的非平衡凝固共晶体, 其中非基体共晶相含有较多的ZnMgCu元素。 该共晶体为合金最后结晶产物, 即熔化温度最低的产物。 铸态样品DSC分析曲线上对应477 ℃的吸热峰 (即熔化峰) 就应是这种产物熔化造成的。

2.2 7050合金半连续铸锭中结晶相在均匀化处理过程的变化

7050合金Φ200 mm半连续铸锭样品经470 ℃均匀化处理不同时间后的DSC分析结果如图3所示。 可见, 随均匀化处理时间延长, 合金的DSC曲线上对应477 ℃的吸热峰逐渐变小, 均匀化处理6 h基本消失, 均匀化处理12 h完全消失。 由图3还可见, 在470 ℃均匀化处理过程, 合金铸锭的DSC曲线上对应490 ℃左右出现一个明显吸热峰。 477 ℃吸热峰变小并最终消失和对应490 ℃吸热峰的出现, 说明7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理过程中其非平衡凝固共晶体不仅向合金基体溶解还转变成熔点更高 (为490 ℃左右) 的产物 ^[14,15] 。 图3的DSC分析曲线7可见, 经470 ℃均匀化处理96 h后合金中仍存在对应于490 ℃左右熔化的产物, 说明在此温度下进行均匀化处理不能使这种产物消除。

图1 7050合金半连续铸锭的显微组织及DSC分析曲线

Fig.1 Microstructure and DSC curve of semicontinuous casting ingot of 7050 aluminum alloy

(a) Optical microscopy metallograph; (b) DSC curve

图2 7050合金铸态扫描电镜组织及其能谱分析结果

Fig.2 Backscattered SEM electron image and EDS results of as-cast sample of 7050 aluminum alloy

图3 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理不同时间后的DSC曲线

Fig.3 DSC curves of 7050 aluminum alloy ingot after homogenized at 470 ℃ for different time

图4为7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理不同时间后的金相组织。 与图1铸态组织比较可见, 铸态样品在470 ℃均匀化处理1 h后, 其组织中的非平衡凝固共晶体明显减少, 与图3中DSC分析曲线2的结果相符。 该非平衡凝固共晶体消失的这么快, 可能是由于Φ200 mm半连续铸锭较小, 铸造过程冷速快, 产生的非平衡凝固组织非常细, 容易溶解到基体中。 由图4还可见, 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理48 h后, 其组织仍残留较多的已经球化的未溶第二相, 即使均匀化处理时间延长至96 h, 合金组织这种残留的球化的未溶第二相数量虽有减少, 但仍不能消除。

7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理48 h的扫描电镜组织及其能谱分析结果如图5所示。 可见, 组织中残留较多的球化的未溶第二相, 其成分与Al₂CuMg (S相) 极为相似, 可以认为是Al₂CuMg相。 扫描电镜组织观察及其能谱分析还表明, 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理后, 其组织中仍有与铸态组织中相似的块状Al₇Cu₂Fe相, 这种含Fe相在均匀化处理过程基本不变, 这种含Fe相也有呈细条状存在于组织中, 见图5中探测点3。

图4 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理不同时间后的金相组织

Fig.4 Microstructure of semicontinuous casting ingot of 7050 aluminum alloy after homogenized at 470 ℃ for different time

(a) 1 h; (b) 12 h; (c) 48 h; (d) 96 h

图5 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理48 h的扫描电镜组织及其能谱分析结果

Fig.5 SEM image and EDS results of semicontinuous casting ingot of 7050 aluminum alloy after homogenized at 470 ℃ for 48 h

图6为7050合金半连续铸锭及其经470 ℃×48 h均匀化处理后的X射线衍射分析结果。 可见, 合金的铸态组织中除Al基体外, 还存在具有MgZn₂型晶体结构的第二相和少量的Al₇Cu₂Fe相。 由图1和图2的分析结果可知, 合金铸态组织中除了Al基体外只有大量的含有AlZnMgCu的共晶体以及少量的成分近似为Al₇Cu₂Fe的含Fe相, 并未见MgZn₂相, 而共晶体中仅包括两相 (即Al基体相及共晶第二相) , 并非多相混合物, 共晶第二相为含有AlZnMgCu的第二相。 合金铸态组织中含有大量的AlZnMgCu的共晶第二相, 其X射线衍射谱中应出现明显的该第二相的衍射峰, 因此合金铸态组织中含有AlZnMgCu的共晶第二相的晶体结构应为MgZn₂型晶体结构, 是由于在合金半连续铸造非平衡凝固过程中大量的Al和Cu过饱和的溶入MgZn₂相, 形成了晶体结构为MgZn₂型的含有AlZnMgCu的非平衡共晶第二相。 由图6合金铸锭经470 ℃×48 h均匀化处理后X射线衍射的分析结果表明, MgZn₂相的衍射峰消失, 新出现Al₂CuMg (S相) 的衍射峰, 也有微弱的Al₇Cu₂Fe相的衍射峰, 图5的扫描电镜组织及其能谱分析结果已证明合金的组织中除基体外残留未溶的第二相主要是Al₂CuMg (S相) 以及少量的含Fe相, 而且合金铸锭在470 ℃均匀化处理96 h后, 仍残留较多的Al₂CuMg相 (图4 (d) ) 。 证明7050合金Φ200 mm半连续铸锭在470 ℃均匀化处理过程其非平衡凝固共晶体不仅向合金基体溶解还转变成熔点更高 (为490 ℃左右) 的Al₂CuMg相, 而且Al₂CuMg相在该温度下不能完全溶入合金基体。

图6 7050合金铸态及470 ℃×48 h均匀化处理后的X射线衍射图谱

Fig.6 XRD patterns of as-cast and homogenized at 470 ℃ for 48 h of 7050 aluminum alloy ingot

3 结 论

1. 7050合金半连续铸锭中存在大量的非平衡凝固共晶体, 其熔化温度为477 ℃, 共晶体中的非基体共晶相为MgZn₂型晶体结构的含有AlZnMgCu元素的非平衡第二相, 铸锭中还存在少量的块状Al₇Cu₂Fe相。

2. 7050合金半连续铸锭在470 ℃均匀化处理过程中其非平衡凝固共晶体不仅向合金基体溶解还转变成Al₂CuMg (S相) , 在此合金中S相的熔化温度为490 ℃左右。

3. 在470 ℃均匀化处理时, Φ 200 mm的7050合金半连续铸锭中含Zn结晶相于12 h前全部溶入合金基体, 形成的S相不能完全溶入合金基体。 均匀化处理过程中含Fe相基本不变。

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