均匀化工艺对7075铝合金组织性能的影响

摘要：本文主要研究了不同均匀化工艺对大规格7075铝合金铸锭组织的影响以及对轧制薄板性能的影响，研究结果显示：合金的铸态组织主要是为Al基体+Mg(Zn、Cu)2相非平衡共晶相组成。465℃/24 h均热后，合金中枝晶组织部分消失，低熔点相溶解不充分。465℃/24 h+478℃/8h均热后，共晶组织基本消除，残留相主要是难溶解的含Fe相，均匀化效果优异。通过对不同均热后铸锭轧制成薄板后，二级均热后的薄板T6态力学最优，抗拉强度533.5 MPa，屈服强度455 MPa，延伸率16.5%。

0 引言

随着航空、航天领域的高速发展，对高性能铝合金航空板材料提出了越来越高的要求，特别是航空薄板。7075铝合金是一种比较成熟的超硬铝合金，具有良好的机械性能，良好的耐磨损、比强度高等优点，其挤压型材及薄板仍然广泛的应用在航空飞机上，如波音737、空客A320以及中商飞C919飞机上。对于大尺寸高强铝合金扁锭铸造成型难度大并存在非常严重的非平衡结晶相，产生枝晶偏析和区域偏析。7075铝合金扁锭的铸造成型工艺技术国内已经掌握，能够生产440 mm*1500 mm*5000 mm大尺寸铸锭。7075铝合金由于含有的合金元素较多，组织的不均匀性较大，半连续铸造成型的铸锭中残余应力较大，低熔点非平衡结晶相多，为了改善铸造组织的这种不均匀性，必要对铸锭进行均匀化处理，目的是为了消除残余应力、消除枝晶等缺陷。选择合理的均匀化工艺，可使粗大化合物相得固溶度提高，合金后续性能也能得到明显的改善本文针对7075合金铸锭分别采用单级和双极均匀化工艺，研究了不同均匀化制度下残留第二相种类及含量；采用包覆薄板生产工艺制备厚度为3.25 mm的薄板，研究不同均热工艺对于包覆薄板T6态力学性能的影响。

1 实验

实验材料是某公司采用半连续铸造工艺生产的7075铝合金扁锭（尺寸440 mm×1200 mm×4000 mm），成分见表1。在铸锭芯部切取厚度为50*100 mm的试片，采用热空气循环炉（误差±2℃）进行不同均匀化后出炉空冷。均匀化前对样品芯部取样进行DSC（DSC1/700型差示扫描量热仪）分析；芯部取样进行金相分析及扫描电镜分析。均热后的扁锭切切削为420 mm×1100 mm×1000 mm后进行表面包覆一层抗腐蚀更高的7072铝合金板，然后先热轧后冷轧，轧制成厚度为3.25 mm厚的薄板，进行热处理至T6态，取样进行力学性能测试，力学性能测试在Instron拉伸试验机上进行。均匀化工艺参数如表2所示。

2结果与分析

2.1 7075合金铸锭第二相分析

图1给出了大尺寸7075合金铸锭的SEM分析结果。可以看到，铸态组织为枝晶状组织，深灰色结晶相和亮白色结晶相共生。能谱分析显示，深灰色结晶相富含Cu、Mg元素，如图A位置，而亮白色层状晶界相富含Zn和Mg元素，如图1 B位置；在枝晶臂位置有一些富含Cu和Fe元素，如图1中C位置。图2给出了铸锭芯部位置的DSC曲线，可以看到在481℃时出现明显的吸热峰，说明该温度下出现大量低熔点共晶化合物大量溶解；初溶温度为477.2℃，热分析结果为铸锭的均匀化工艺提供了温度依据。铸锭均匀化是在低于合金非平衡凝固共晶组织熔化温度下保温，使溶质原子充分的扩散到基体中，又不会导致非平衡凝固共晶组织熔化而发生过烧现象，目的是使得溶质原子在基体内部均匀分布、消除枝晶和成分偏析。

2.2 7075铝合金铸锭均热后金相组织分析

图3为铸锭在不同温度下均匀化后的金相组织。图3(a)为经过465℃/8h均匀化后组织中的非平衡凝固共晶相明显减少，但是仍然可以看到枝晶组织，组织中未发现过烧组织，根据金相色彩分辨可知，残余相主要是富Cu、Mg相和富Cu、Fe相，及少量的富Zn、Mg相，残留第二相含量约为2.3%。随均匀化时间提高到24h，枝晶组织进一步减少，基本上残余富Cu、Mg相及富Cu、Fe相，残留第二相含量约为1.6%。在一级均热的基础上，增加二级均匀化工艺。图3（c、d）结果显示，残留第二相含量明显降低，二级选用475℃和478℃均未发生过烧现象，而且经478℃均热后晶界残留第二相明显相比于其它工艺小很多，经过判断这些残留相为富Fe相，残留第二相含量分别为1.1%和0.85%。采用一级可使铸态枝晶组织消除，原富Zn、Mg相所占据的位置被富Cu、Mg相占据，促进了Mg(Zn,Cu,Al)2相向高温Al2CuMg相转变。二级均热超过其过烧点，目的为了进一步消除高温残留相，进一步提高合金过饱和度，而不发生过烧

2.3 7075铝合金薄板组织与性能

为了研究不同均热工艺对7075薄板T6态性能的影响，对均热后的铸锭进行热轧，热轧至7 mm厚，然后冷轧至约3.25 mm，对薄板进行退火、固溶时效至T6态。表3给出了经不同均热工艺后7075铸锭残留第二相含量以及经轧制变形后7075薄板T6态力学性能。从结果上来看，铸锭残留第二相含量越高，合金T6态强度偏低，当铸锭第二相含量由2.1%降低到0.8%时，合金强度增加了22 MPa，延伸率增加了2%。通过研究均匀化工艺对铸锭残留第二相及轧制板材力学性能的影响，探索出残留第二相与力学性能之间的关系。对于7xxx系铝合金来说，由于其含有较高的合金元素，铸锭凝固过程中合金元素容易发生偏析，导致产生大量的共晶组织。相比于单级均热工艺，铸锭经465℃×24 h+478℃/8 h，晶界处的共晶组织基本消除，晶粒组织并没有明显的长大，经轧制后的强度也是最优的，因此经465℃×24 h+478℃/8 h二级均匀化是最佳的均匀化制度。

3分析讨论

通过对对大尺寸航空用7075铝合金铸锭分析及轧制后薄板性能分析可知：（1）7075铝合金铸态组织主要是由Al基体+Mg(Zn、Cu)2相非平衡共晶相组成；465℃均匀化时，铸锭晶界出枝晶部分消失，低熔点相溶解不充分。（2）7075铸锭经465℃×24 h+478℃/8 h均匀化后，铸锭晶界低熔点共晶相基本消失，晶粒没有明显的长大；残留第二相仅为0.8%。（3）合理均匀化工艺能够使合金注定获得较低的残留第二相含量，进而提高最终产品的力学性能，采用465℃×24 h+478℃/8 h均匀化，经轧制变形后的7075铝合金薄板T6态的力学性能分别为：抗拉强度为533.5 MPa，屈服强度为455 MPa，延伸率为16.5%。