简介概要

7B50高强铝合金的均匀化

来源期刊:中国有色金属学报2008年第5期

论文作者:李国锋 张新明 朱航飞 李鹏辉

文章页码:764 - 764

关键词:7B50铝合金;均匀化;显微组织

Key words:7B50 aluminum alloy; homogenization; microstructure

摘    要:采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等研究7B50高强铝合金铸态和均匀化态的显微组织与成分分布,确定了实验合金一级均匀化后的过烧温度及二级均匀化工艺。结果表明:实验合金经465 ℃,24 h均匀化后的过烧温度为480 ℃,其最佳二级均匀化退火工艺为随炉升温到465 ℃保温24 h,再随炉升温到475 ℃保温4 h;实验合金经二级均匀化处理后,成分均匀,残留共晶很少,基体上析出大小适中及分布均匀的Al3Zr质点。

Abstract: The microstructure and the composition distribution of as-cast and homogenized aluminium alloy 7B50 were studied by means of optical micrography, scanning electron micrography and transmission electron micrography. The overheating temperature of the alloy homogenized at 465 ℃ for 24 h and the two-step homogenization parameters were determined. The results indicate that the overheating temperature of the alloy homogenized at 465 ℃ for 24 h is 480 ℃, and the two-step homogenizing process is optimized. After the studied alloy is treated with the two-step homogenizing process, the alloy elements are uniformly distributed, the pseudoeutectic is little and the Al3Zr particles are uniformly precipitated in the matrix.

基金信息:国家重点基础研究发展规划资助项目
湖南省教育厅科研基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2008)05-0764-07

7B50高强铝合金的均匀化

李国锋1, 2,张新明1,朱航飞1,李鹏辉1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083;

2. 长沙大学 机电工程系,长沙 410003)

摘  要:采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等研究7B50高强铝合金铸态和均匀化态的显微组织与成分分布,确定了实验合金一级均匀化后的过烧温度及二级均匀化工艺。结果表明:实验合金经465 ℃,24 h均匀化后的过烧温度为480 ℃,其最佳二级均匀化退火工艺为随炉升温到465 ℃保温24 h,再随炉升温到475 ℃保温4 h;实验合金经二级均匀化处理后,成分均匀,残留共晶很少,基体上析出大小适中及分布均匀的Al3Zr质点。

关键词:7B50铝合金;均匀化;显微组织

中图分类号:TG 166.3       文献标识码:A

Homogenizing treatment of 7B50 high strength aluminum alloy

LI Guo-feng1, 2, ZHANG Xin-ming1, ZHU Hang-fei1, LI Peng-hui1

(1. School of Materials Science and Engineering, Key Laboratory of Non-Ferrous Metal Materials Science and Engineering,

Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Changsha University, Changsha 410003, China)

Abstract: The microstructure and the composition distribution of as-cast and homogenized aluminium alloy 7B50 were studied by means of optical micrography, scanning electron micrography and transmission electron micrography. The overheating temperature of the alloy homogenized at 465 ℃ for 24 h and the two-step homogenization parameters were determined. The results indicate that the overheating temperature of the alloy homogenized at 465 ℃ for 24 h is 480 ℃, and the two-step homogenizing process is optimized. After the studied alloy is treated with the two-step homogenizing process, the alloy elements are uniformly distributed, the pseudoeutectic is little and the Al3Zr particles are uniformly precipitated in the matrix.

Key words: 7B50 aluminum alloy; homogenization; microstructure

                    

铸造过程中存在非平衡结晶,由此在高强铝合金的铸造组织中形成了大量的非平衡共晶,并产生严重的枝晶偏析和区域偏析,基体中主要合金元素处于过饱和状态,在快速冷却过程中,在铸锭内部形成很强的内应力,这种枝晶网状组织使得合金的压力加工性能变差,制品的强韧性降低,并增加了各向异性和腐蚀敏感性[1-6]。因此,在压力加工前,铸态高强铝合金必须经过均匀化退火,以消除枝晶偏析,使非平衡共晶溶解,降低内应力,从而提高合金的热塑性[7-8]

高强铝合金均匀化退火有一级均匀化、二级均匀化、强化均匀化和连续均匀化等[9]。为防止过烧,通常一级均匀化加热温度较低,均匀化效果较差;强化均匀化是通过略高于传统均匀化温度,大幅度延长均匀化时间来达到均匀化的目的,生产效率较低;二级均匀化是较早就出现的一种均匀化方法,特别适用第二相变化比较复杂的高合金化合金[9]。目前,7050高强铝合金的均匀化主要是采用一级均匀化退火工   艺[10-12],其均匀化温度一般为460~465 ℃,保温时间为24 h,均匀化效果不理想。本文作者研究了7B50高强铝合金铸态与一级均匀化态的组织与成分分布,并确定了实验合金经一级均匀化后的过烧温度,在此基础上对二级均匀化工艺进行了研究,其结果对优化7050铝合金均匀化制度具有重要的指导意义。

1  实验

实验合金7B50锭坯在实验室制备。配料采用高纯铝、工业纯锌、工业纯镁和铝铜中间合金,锆以中间合金Al-5%Zr的形式加入,细化剂采用Al-5Ti-B。合金的熔炼在石墨坩埚电阻炉内进行,熔化温度780~800 ℃,精炼温度为730~740 ℃,铸造温度为710~720 ℃,除气剂采用C2Cl6,在铁模中铸造。铸锭均匀化处理采用空气电阻炉。

用差热分析(DSC)方法确定低熔点共晶的熔化温度,差热分析的升温速率为10 ℃/min。铸态试样分别经465℃,24 h、465 ℃,24 h+475 ℃,2 h、465 ℃,24 h+480 ℃,2 h及465 ℃,24 h+485 ℃,2 h均匀化处理后出炉水淬,采用金相分析方法研究它们的组织特征,确定是否过烧。

为了对比研究,将铸态7B50分别进行一级均匀化和二级均匀化。其中一级均匀化工艺:随炉升温至465 ℃保温不同时间,出炉水淬;二级均匀化工艺:随炉升温至465 ℃保温24 h,再升温至475 ℃保温不同时间,出炉水淬。

组织观察在XJP-6A型光学显微镜、KYKY-2800型与Philips Sirion200型扫描电镜以及TecnaiG220和JEM-3010型透射电镜下进行,利用电子探针技术对铸态组织和各种均匀化态组织的形貌、枝晶偏析以及合金的成分分布情况进行了分析。

2  结果与分析

 

2.1  铸态组织及其成分分布

实验合金在光学显微镜和扫描电镜下观察到的组织形貌如图1所示。

图1  实验合金的铸态组织

Fig.1  Microstructures of as-cast alloy: (a) OM image; (b) SEM image

由图1可见,合金的铸态组织主要由树枝状α(Al)固溶体与晶界上和枝晶间的低熔点共晶相组成,晶粒呈等轴状,在晶界附近分布有大量细小的第二相,晶内也存在较粗大的第二相,晶界共晶化合物基本上呈网状连续分布。这种网状共晶相脆性大,塑性低,由于合金组织具有遗传性,这种不均匀组织在加工后会极大影响合金的强韧性,并增加合金的各向异性。

对铸态组织中的合金元素分别进行面扫描和线扫描,其结果分别如图2和3所示。由图2可见,铸态组织中合金元素的分布是不均匀的。在晶界与枝晶间及其非平衡第二相中主要合金元素显著富集,存在严重的枝晶偏析;在晶粒内部,越靠近晶界附近,合金元素含量越高,存在区域偏析。由图3可看出,在较宽大的共晶化合物处,其线扫描的波峰往往有两个峰,说明共晶体内合金元素的分布也是不均匀的。因此,在热加工前必须进行均匀化退火,以消除成分偏析。

图2  铸态组织及其主要合金元素的面分布

Fig.2  Microstructure of as-cast alloy(a) and corresponding elements planar distributions of Zn(b), Mg(c) and Cu(d)

图3  铸态组织的成分分布

Fig.3  Elements linear distributions along grains and boundaries

2.2  二级均匀化过烧温度的确定

实验合金的DSC分析结果如图4所示。由图4(a)可见,分别在479.40、488.5和642.3 ℃处有吸热峰,显然642.3 ℃为合金熔化终了温度,其他两个温度点分别对应两种非平衡共晶的熔化温度,相差约9 ℃。


根据均匀化理论[1],均匀化退火温度通常为0.90~ 0.95Tm,Tm为合金实际熔化温度。因此,本研究将7B50铸态合金的第一级均匀化温度确定为465 ℃。

由图4(b)可见,合金经过一级均匀化后,低熔点共晶已基本上溶入基体,残留的共晶熔点上升到了约547.7 ℃。因此,第二级均匀化温度较第一级可适当提高。

为此,将铸造合金分别经465 ℃,24 h、465 ℃,24 h+475 ℃,2 h、465 ℃,24 h+480 ℃,2 h及465 ℃,24 h+485 ℃,2h均匀化处理后,其组织状态如图5所示。

图4  实验合金的DSC分析曲线

Fig.4  DSC analysis curves of tested alloys: (a) As-cast alloy; (b) Alloy homogenized at 465 ℃ for 24 h

图5  不同均匀化工艺条件下退火后合金的组织状态

Fig.5  Microstructures of alloys homogenized under different conditions:

(a) 465 ℃, 24 h; (b) 465 ℃, 24 h+475 ℃, 2 h; (c) 465 ℃, 24 h+480 ℃, 2 h; (d) 465 ℃, 24 h+485 ℃, 2 h


由图5可看出,经465 ℃,24 h一级均匀化后,非平衡共晶数量较铸态大大减少,网状晶界化合物基本上不再连续,晶界显著变细,但依然有部分枝晶存在,晶内也还存在粗大的第二相(见图5(a));提高均匀化温度至475 ℃保温2 h后,第一级均匀化后残留的共晶在此温度下进一步溶解,因此组织中残留的共晶已经很少,枝晶基本被消除(见图5(b));经过第一级均匀化后,残留共晶在480 ℃下继续溶解,但已有少量发生了熔化(见图5(c))。第一级均匀化后残留的共晶中一小部分的熔点仍然较低,在480 ℃下将发生了熔化,因此最后的组织中残留的共晶虽然很少,枝晶完全消除,晶界细小光滑,但在局部区域出现了少量的三角晶界和复熔球这种典型的过烧特征(见图5(c));由于第二级均匀化温度过高,一级均匀化后残留的共晶中有相当部分在此温度下发生熔化,因而组织中出现了大量三角晶界和复熔球,局部晶界呈断续点状变粗或连续加粗的特征,出现了严重过烧(见图5(d))。

通过以上分析可以确定,实验合金经一级均匀化后,其二级均匀化的过烧温度为480 ℃。考虑到实验炉的炉温控制误差一般为±3 ℃,为安全起见,取  475 ℃为二级均匀化的第二级温度比较合适。

2.3  均匀化态的组织与成分分布

2.3.1 一级均匀化

在扫描电镜下观察一级均匀化后的显微组织,结果如图6(a)所示,可见组织中仍残留较多的共晶。为了研究一级均匀化的保温时间对均匀化效果的影响,对经过465 ℃,24 h均匀化处理的合金也进行电镜扫描,结果如图6(b)所示。

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