文章编号：1004-0609(2009)09-1539-09

新型高强韧低淬火敏感性

Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr合金

熊柏青，李锡武，张永安，李志辉，朱宝宏，王 锋，刘红伟

(北京有色金属研究总院 有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088)

关键词：

高强韧铝合金；淬火敏感性；显微组织；性能；

中图分类号：TG 113; TG 146.2　　     文献标识码：A

Novel Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr alloys with high strength high toughness and low quench sensitivity

Xiong Bai-qing, Li Xi-wu, Zhang Yong-an, Li Zhi-hui, Zhu Bao-hong, WANG Feng, liu Hong-wei

(State Key Laboratory for Fabrication and Processing of Non-ferrous Metals,

General Research Institute for Non-ferrous Metals, Beijing 100088, China)

Abstract: A novel Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr alloy with high strength high toughness and low quench sensitivity was prepared by conventional ingot metallurgy. The microstructure and properties of the novel alloy under different processing and temper conditions were investigated. The results indicate that there are less coarse non-equilibrium AlZnMgCu phases in the as-cast alloy. After two-step homogenization (440 ℃, 12h+475 ℃, 24h) followed by hot extrusion and solid-solution treatment at 475 ℃ for 50-120 min, the microstructure of the novel alloy is homogeneous with few undissolved phases existing in the matrix except a few indissolvable Al₇Cu₂Fe particles and dispersed Al₃Zr phases. When one-step aging, two-step aging and three-step aging are performed, optimum microstructure and properties of the novel alloy are obtained. When T6 temper is performed, the ultimate tensile strength (UTS) and electrical conductivity values are 590 MPa and 20.4 MS/m, respectively. After T7 temper treatment, the UTS, tensile yield strength (TYS), elongation and electrical conductivity values are 500-550 MPa, 460-520 MPa, 17.0%-17.3% and 23.4-25.0 MS/m, respectively. When three-step aging are performed, the alloy can obtain a good combination with T6 and T7 temper, the electrical conductivity is increased up to 23.1 MS/m and the UTS values is decreased only by 3% while in comparison with T6 temper. The novel alloy has low quench sensitivity, the quench sensitivity value of the alloy can reach more than 120 mm from the quenching end. The novel alloy also has better fracture toughness with higher K_IC values than that of the 7150 alloy inT6 temper prepared by the same processing.

Key words: high strength high toughness Al alloy; quench sensitivity; microstructure; properties

近年来，伴随着新一代飞机的发展，飞机结构件呈现出大型化和整体化的发展趋势，从而对超大厚度(150 mm以上)航空铝合金锻件、预拉伸板制品提出了紧迫的需求^[1-5]。传统的7050合金(Al-6.2Zn-2.3Mg- 2.3Cu-0.12Zr)具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优良的综合性能，是近30年来飞机制造业中应用最广泛的航空铝合金材料。由于7050合金具有高的淬火敏感性，对于厚度120 mm以上的7050合金预拉伸板和锻件，经固溶淬火和时效处理后，其芯部强度与表层强度相差高达15%以上，不能够满足新一代飞机上大厚度整体式结构件制造的要求。20世纪90年代中后期，美国铝业公司(ALCOA)研制开发了比7050合金具有更高强度的7055合金(Al-8.0Zn-2.1Mg-2.3Cu- 0.15Zr)，虽然其强度与7050合金相比提高了15%以上，但断裂韧性K_IC值却下降了12%~15%，并且高淬火敏感性问题更为严重，一般只能用于生产60 mm以下厚度的预拉伸板和挤压型材制品。为满足当代航空制造业的发展需要，美国铝业公司(ALCOA)于2003年在国际上率先推出了具有高强韧性和低淬火敏感特性的7085合金(Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.12Zr)，据报道，7085-T7状态合金预拉伸超厚板(152 mm)的芯部强度与表层强度差大幅度减小，与同厚度7050-T7状态合金预拉伸超厚板相比，制品的芯部强度提高了15%，抗应力腐蚀性能和断裂韧性K_IC值则基本相当，特别适合于现代飞机上大厚度整体式结构件的制造。目前，该合金已在空客A380客机中用于制造机翼的主承力加强杆，成为新一代飞机中质量最大的铝合金主承力结构件^[6-7]。但由于7085铝合金中主强化元素Mg的含量相对过低，制约了合金强度的进一步提高，在制造厚度60 mm以下、淬火敏感性问题不突出的中厚预拉伸板时，与7050合金相比在强度性能方面并无明显优势。

7×××系(Al-Zn-Mg-Cu系)合金是所有变形铝合金中强度最高的一类，作为一种典型的时效强化型铝合金，其强度主要依赖于合金在时效过程中沉淀析出的具有MgZn₂化学成分组成、与基体呈共格关系的GP区或呈半共格关系的η′相^[8-12]。适当提高合金中Mg元素的含量、增大Zn/Mg比值(质量比)，有助于在合金中形成更大体积分数的沉淀强化相、改善合金的强度性能。Cu元素的加入，一方面能够通过提高基体电位、减少基体与晶界析出相的电位差而改善合金的耐腐蚀性能，另一方面能够通过沉淀析出具有Al₂Cu化学成分组成、与基体半共格关系的θ′相而对合金的强化起到补充作用，但大量研究表明，伴随着合金中Cu元素含量的增加，合金会出现高淬火敏感性的问题。

本研究是在美国铝业公司(ALCOA)7085合金的基础上，针对7085合金强度性能尚显不足的问题，通过适当提高合金中主强化元素Mg的含量，进一步降低合金中淬火敏感性元素Cu的含量，研究高强韧低淬火敏感性铝合金材料的制备加工工艺特点、合金的微观组织特征和基本性能，为最终全面突破美国铝业公司(ALCOA)7085合金成分专利制约、设计研制具有我国自主知识产权的新一代高强韧低淬火敏感性铝合金奠定理论和实验基础。

1  实验

实验合金采用高纯Al、Zn、Mg、以及Al-Cu和Al-Zr中间合金等为原料，模拟半连续铸造条件熔炼铸造得到d210 mm×300 mm的铸锭，经过化学成分分析，铸锭的最终化学成分(质量分数，%)为：Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr，Fe＜0.08，Si＜0.06。合金铸锭经(440 ℃, 12 h)+(475 ℃, 24 h)的均匀化热处理后，热挤压成截面为102 mm×25 mm的板带。固溶工艺为(475 ℃, 50~120 min)，随后分别开展单级时效、双级时效和三级时效处理：单级时效温度为100、120和140 ℃；双级时效制度第一级采用(110 ℃, 6 h)，第二级时效温度为155、160和165 ℃；在三级时效过程中第二级高温处理采用180 ℃、时间选取20~120 min。为了开展淬透性对比，本研究还在相同的熔铸和热变形加工工艺条件下制备了7150合金和7B04合金挤压板带。

本研究系统分析了合金的铸态、加工态和热处理态微观组织，测试了不同状态下合金的拉伸力学性能、电导率以及T6状态下合金的室温断裂韧性(K_IC)，所有测试K_IC的试样在固溶之后均进行了2%的预拉伸变形；采用室温水端淬、结合试样上距淬火端面不同距离的电导率值测试和T6时效状态下的硬度测试，评价合金的淬火敏感性。合金的电导率测试选用WD-Z型数字式涡流电导仪，显微组织观察在Zeiss Axiovert 200MAT光学显微镜(OM)、HITACHI S4800扫描电子显微镜(SEM)和JEM 2010型高分辨电镜(TEM)上进行。

2  结果与讨论

2.1  合金的铸态微观组织

图1所示为铸态7150合金的OM像，以及新型合金的OM和SEM像。由图1可以看出，2种合金的铸态组织均为明显的枝晶组织，但与7150合金相比，新型合金枝晶间的非平衡共晶相的数量要少许多，而且分布较为稀疏(见图1(a)和(b))。SEM及EDS能谱分析结果表明，新型合金的铸态显微组织主要是由树枝状基体α(Al)相、枝晶间低熔点非平衡共晶AlZnMgCu相(见图1(d)中标记A)以及片状的MgZn₂析出相(见图1(d)中标记B)组成，相应的成分能谱分析结果如表1所列。

图1  铸态合金的显微组织

Fig.1  Microstructures of as-cast Al alloy: (a) OM image of 7150; (b), (c), (d) OM and SEM images of novel alloy

表1  新型合金铸态组织中第二相的化学成分

Table 1  Composition of second phase in as-cast alloy shown in Fig.1(d) measured by EDS (mole fraction, %)

2.2  合金的均匀化态微观组织

图2所示为新型合金经(440 ℃, 12 h)+(475 ℃, 24 h)双级均匀化处理后的显微组织。由图2可以看出，合金均匀化处理后晶界变窄，枝晶间的非平衡共晶相已基本消除，合金组织中仅剩有极少量的Al₂CuMg相以及高温难溶的Al₇Cu₂Fe相(EDS能谱分析所得成分如表2所列)。显然，采用(440 ℃, 12 h)+(475 ℃, 24 h)双级均匀化热处理可以得到比较理想的均匀化效果。

图2  新型合金均匀化处理后的显微组织

Fig.2  Microstructures of as-homogenized novel alloy: (a) OM image; (b) SEM image

表2  新型合金均匀化处理后组织中第二相的化学成分

Table 2  Composition of second phase in as-homogenized alloy shown in Fig.2(b) measured by EDS (mole fraction, %)

2.3  合金的热变形加工态微观组织

图3所示为新型合金热变形加工态的显微组织，可以看出，合金经挤压后，晶粒变得扁平并沿挤压方向被拉长。晶内及晶界上存在大量析出相粒子以及少量破碎后沿挤压方向分布的残留相。经EDS初步分析判断，残留相为Al₇Cu₂Fe相，析出相为挤压过程中析出的MgZn₂相，其成分如表3所列。

图3  新型合金挤压态的显微组织

Fig.3  Microstructures of as-extruded novel alloy: (a) OM mage; (b) SEM image

表3  新型合金挤压态组织中第二相的化学成分

Table 3  Composition of second phase in as-extruded alloy in Fig.3(b) measured by EDS (mole fraction, %)

2.4  合金的固溶态微观组织

图4所示为新型合金在经(475 ℃, 50~120 min)固溶水淬后的显微组织。由图4可以看出，合金经固溶处理后变形组织发生部分再结晶，晶粒无明显长大，挤压时在晶内晶界上大量析出的MgZn₂相已消失，基体中仅残留有少量的难溶相(如图4(b)标记A所示)。进一步通过TEM对固溶态组织进行观察分析，如图5所示，可以看出，基体中主要的残留相为Al₇Cu₂Fe相(见图5(a))；此外，基体中还有弥散分布的Al₃Zr粒子^[8-9]  (如图5(b)中箭头所示)。

图4  新型合金固溶水淬处理后的显微组织

Fig.4  Microstructures of novel alloy after solution treatment: (a) OM image; (b) SEM image

图5  新型合金固溶处理后基体内第二相的TEM像及其衍射花样

Fig.5  TEM images and diffraction patterns of second phases in novel alloy after solution treatment: (a) Al₇Cu₂Fe; (b) Al₃Zr

2.5  合金的时效态性能与微观组织

新型合金经固溶处理后，分别在100、120和140 ℃下进行单级时效处理，其拉伸力学性能和电导率随时间的变化规律如图6所示。可以看出，随着时效温度的升高，合金时效硬化响应速度加快，达到峰值强度的时间显著缩短，且峰值强度较低(见图6(a)和(b))。合金在100、120和140 ℃保温一定时间，均可以获得较高强度。但是，100 ℃时效时，合金强度达到峰值所需的时间较长、电导率较低且几乎不随时间的延长而发生变化(见图6(d))；在140 ℃时效时，合金的断后伸长率较不稳定(见图6(c))。因此，结合考虑实际工业生产，适宜的峰值时效T6制度为(120 ℃, 24 h)。

图6  新型合金在不同温度下单级时效时的拉伸力学性能和电导率随时间的变化

Fig.6 Change of mechanical properties and electrical conductivity with aging time for novel alloy under one-step aging treatment at different temperatures: (a) UTS; (b) TYS; (c) Elongation; (d)Electrical conductivity

图7所示为新型合金经双级时效处理后拉伸力学性能和电导率随时效时间的变化规律。可以看出，在合金进行双级时效热处理时，随着第二级时效温度由155 ℃升高到165 ℃，合金强度的降低和电导率的增加响应速度加快。合金断后伸长率有一定程度的变化波动，但未表现出明显的规律。综合比较，选用160 ℃作为合金T7制度中的第二级时效温度，保温6 h、16 h可以分别获得比较理想的T76、T73状态的拉伸力学性能和电导率的匹配。

图7  新型合金在不同温度下双级时效时拉伸力学性能和电导率随时效时间的变化

Fig.7  Changes of mechanical properties and electrical conductivity with aging time for two-step aged alloy at different temperatures: (a) UTS; (b) TYS; (c) Elongation; (d) Electrical conductivity

图8所示为新型合金在三级时效过程中，当第一级和第三级时效制度均为T6、第二级时效温度采用180 ℃时，不同的第二级保温时间对合金拉伸力学性能和电导率的影响。由图8可以看出，随着第二级保温时间的延长，合金的强度迅速降低，而电导率和断后伸长率显著提高。结合工业生产可实现性的考虑，选用180 ℃，40 min作为三级时效过程中的第二级处理制度，可以获得比较理想的拉伸力学性能和电导率的匹配。为便于比较，表4列出了新型合金在几种典型时效状态下的力学性能和电导率。

图8  不同的第二级保温时间对新型合金拉伸力学性能和电导率的影响(180 ℃)

Fig.8  Influence of 2nd step aging time on mechanical properties and electrical conductivity of novel alloy: (a) UTS and TYS;    (b) Elongation and electrical conductivity

表4  几种典型时效状态下新型合金的拉伸力学性能和电导率

Table 4  Mechanical properties and electrical conductivity of novel alloy under different conditions

表5所列为新型合金与传统7050合金、美国铝业公司7085合金主要性能比较。从表5中可以看出，与7085合金相比，新型合金的强度性能增加、伸长率显著提高，显示出一定的优越性。但上述性能的提高是与合金主强化元素的微量调整有关，还是来自于本研究中合金板带的挤压效应，尚需要进一步的深入研究证实。

表5  几种典型合金的拉伸力性能和电导率值对比(厚度25~40 mm板材，L向)

Table 5  Mechanical properties and electrical conductivity of several representative alloys

图9所示为新型合金在几种典型时效状态下的TEM像。从图9(a)~(f)可以看出，由T6态到T76、T73态，随着合金过时效程度的增加，晶内析出相显著粗化，晶界变宽且晶界析出相粗化断开呈不连续分布，并出现明显的晶间无析出带。T6状态下，合金晶内析出相细小而弥散分布，尺寸大约为2~8 nm(见图9(a)和(b))；T76状态下，合金晶内析出相长大到3~15 nm (见图9(c)和(d))；到T73严重过时效态，合金晶内析出相长大到5~20nm，数量明显减少，晶界析出相完全断开，并存在一个宽度大致为40~50 nm的晶间无析出带(见图9(e)和(f))。从图9(g)和(h)可以看出，晶内析出相细小弥散分布，与单级峰值时效T6态相似；晶界析出相粗化断开呈离散分布，晶间无析出带宽化，与双级过时效T7态相似。显然，经过三级时效处理后，合金的组织综合了T6态和T7态的优点，使合金既有高的强度又有良好的抗应力腐蚀性能^[13]。

图9  新型合金不同时效状态下的透射电镜明场像

Fig.9  TEM BF images for specimens of novel alloy by different tempers: (a), (b) T6 (120 ℃, 24 h); (c), (d) T74 (110 ℃, 6 h+  160 ℃, 6 h); (e), (f) T73 (110 ℃, 6 h+160 ℃, 16 h); (g), (h) T6+(180 ℃, 40 min)+T6

2.6  合金的淬透性与断裂韧性

图10所示为新型合金、7150合金、7B04合金经过室温水端淬，T6峰时效处理后合金硬度和淬火态合金电导率的测试结果。由图10可以看出，合金淬火端得到的时效态硬度值最高，随着距淬火端距离的增加，7B04合金的时效态硬度值迅速降低，相应的淬火态电导率迅速增加，变化的幅度最大；7150合金的变化幅度次之；新型合金时效态硬度的降幅和淬火态电导率值的增幅最小。若定义T6峰时效处理后硬度最大值损失10%为合金淬透临界评价点，以此为标准，7B04合金、7150合金、新型合金的淬透深度大致分别为20、55和120 mm以上。显然，新型合金具有更为优良的淬透性能，这将为该合金在厚截面尺寸构件上的推广应用提供有力的保证。

图10  新型合金、7150和7B04 3种合金室温水端淬硬度和电导率曲线

Fig.10  Hardness and electrical conductivity curves of AA7150, 7B04 and novel alloy: (a) Hardness of aged bar sample; (b) Electrical conductivity of quenched bar sample

为客观评价新型合金的断裂韧性，本研究采用相同条件下同步制备的7150合金作对比，结果如表6所列。由表6可以看出，本研究制备的7150合金具有较高的断裂韧性，远高于现有文献[14-15]的报道值；对新型合金试样进行断裂韧性测试，由于不满足航标HB4161—84规定的条件：P_max/P_q≤1.1(试样出现了缩颈现象)，其结果为参考值。但在相同的测试条件和试样尺寸前提下，还是能定性地反映出新型合金具有相当优异的断裂韧性，其K_IC值远高于本研究同步制备的7150合金。

表6  相同测试条件下新型合金和7150合金的室温断裂韧性对比

Table 6  Fracture toughness properties of novel alloy and 7150 alloy obtained from same processing

1) Reference value

3  结论

1) 新型合金铸态组织具有枝晶间非平衡共晶AlZnMgCu相较少的特点；经过(440 ℃, 12 h)+(475 ℃, 24 h)双级均匀化处理后，除少量残留的Al₇Cu₂Fe难溶相外，非平衡共晶相基本消除；经(475 ℃, 50~120 min)固溶处理后，除弥散分布的Al₃Zr粒子外，仅残有少量的变形破碎的Al₇Cu₂Fe相，固溶较为充分。

2) 经过单级、双级和三级时效处理，新型合金可以获得比较理想的组织和性能。T6状态下，晶内析出相弥散细小，合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和电导率分别为590 MPa, 540 MPa, 16.5%和20.4 MS/m；经T7处理后，晶界析出相粗化呈离散分布，出现明显宽化的晶间无析出带，合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和电导率分别达到500~550 MPa, 460~520 MPa, 17.0%~17.3%和23.4~25.0 MS/m；经三级时效处理后，合金的组织兼顾了T6和T7制度各自的优势，与T6状态相比，其抗拉强度仅降低3%，屈服强度却提高3%，电导率显著增加至23.1 MS/m。

3) 新型合金具有低的淬火敏感性，室温水端淬试验测得的淬透深度可以达到120 mm以上，远高于本研究同步制备的7150合金(55 mm)和7B04合金(20 mm)的淬透深度。新型合金具有优异的室温断裂韧性，其T6态的K_IC值明显高于本研究同步制备的7150合金。

4) 与美国铝业公司公开报道的7085合金中厚板性能相比，新型合金的强度性能略有增加、而伸长率显著提高，显示了一定的优越性，但与主合金元素含量微量调整之间的对应关系尚待进一步研究证实。

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