固溶處理對7475 鋁合金組織和拉伸性能的影響

李茂華，陳志龍，徐伊雯，盧立偉，楊延清

(1.湖南科技大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411201；2.西北工業大學 材料學院，陜西 西安 710072)

7xxx 系超強鋁合金具有密度小、強度高、韌性好、熱加工性能好、抗腐蝕性能優良等特點，廣泛應用于航空航天領域[1].7xxx 系鋁合金在服役過程中常由于強韌性不夠而產生裂紋，甚至出現斷裂.因此，開發高強高韌7xxx 系鋁合金仍然是當今的研究熱點.目前科研工作者主要通過優化合金成分[2-3]、開發先進的塑性成形技術[4-5]、改進熱處理工藝[6-17]、成形技術/熱處理協同調控[18-19]等方式對鋁合金增強增韌.其中，熱處理是改善鋁合金力學性能最經濟有效的方法之一.

文獻[6-17]表明鋁合金的固溶工藝對后續的時效處理有重要影響.李芳等[8]研究了固溶時間對7050 鋁合金擠壓材料拉伸性能的影響，結果表明7050 鋁合金經470 ℃/30 min 單級固溶+峰值時效后抗拉強度最佳.Zhang 等[9]研究了接觸固溶處理對Al-Zn-Mg-Cu 合金峰值時效的影響，發現接觸固溶處理可以縮短峰值時效時間并提高合金的強度.Meng 等[10]研究了固溶處理對Al-27Zn-1.5Mg-1.2Cu-0.08Zr 鋁合金自然時效的影響，發現高Zn含量的鋁合金最佳固溶溫度為400 ℃，自然時效后由于大量細小彌散的η′相形成，拉伸性能最好.徐春杰等[11]發現三級固溶處理(450 ℃/2 h+465 ℃/1 h+475 ℃/1.5 h)和三級時效處理(120 ℃/24 h+175 ℃/1.5 h+120 ℃/24 h) 后7055 鋁合金的拉伸性能明顯提高.孫文會等[12]研究了固溶處理對7136鋁合金組織和性能的影響，結果表明經450 ℃/4 h+470 ℃/8 h 雙級固溶處理后，合金T6 態的抗拉強度和屈服強度最佳，且伸長率得到顯著提升.

7475 鋁合金綜合性能優良，被廣泛應用于飛機機身、機翼蒙皮、中心機翼結構，翼梁和艙壁[1].目前關于固溶處理對7475 鋁合金微觀組織和拉伸性能的影響研究較少.為此本文采用萬能材料試驗機和TEM，開展固溶制度對7475 鋁合金板材微觀組織和拉伸性能的影響研究，旨在為7475 鋁合金在航空工業上的廣泛應用提供理論和實驗依據.

1 實驗材料及方法

本實驗選用北京航空材料研究院提供的7475-T761 鋁合金板材，名義成分為Al-6.2Zn-2.6Mg-1.9Cu-0.25Cr-0.06Mn-0.06Ti-0.1Si-0.12Fe(w/%)，其σb、σ0.2和δ分別為424 MPa、487 MPa 和11.1%[20].將試樣放入SX-4-10 型箱式電阻爐進行不同工藝的固溶處理，隨后進行室溫水淬，最后進行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級時效.試樣編號及固溶處理工藝見表1.

表1 樣品編號及固溶處理工藝Tab.1 Sample number and solution treatment

室溫拉伸試驗在MT5105 型微機控制電子萬能材料試驗機進行.拉伸試樣沿板材縱向截取.透射電鏡測試樣品首先機械研磨至70 μm 左右，然后沖成直徑為3 mm 的圓片，最后在雙噴電解減薄儀上雙噴電解減薄.電解液選用30% HNO3+70%CH3OH混合液.在Tecnai F30 G2場發射透射電鏡上進行基體析出相(Matrix precipitates,MPt)、晶界析出相(Grain boundary precipitates,GBP)和晶界無析出帶(Precipitation free zone,PFZ)的觀察.采用nano measure 程序統計MPt 平均半徑、GBP 平均長度和PFZ 平均寬度.

2 結果與討論

2.1 單級固溶處理對拉伸性能和微觀組織的影響圖1 為單級固溶對7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖1 可以看出，單級固溶制度分別為470 ℃/40 min、480 ℃/40 min 和490 ℃/40 min 時，隨著固溶溫度升高合金的抗拉強度和屈服強度先升后降，伸長率單調上升.7475 鋁合金最佳的單級固溶工藝為480 ℃/40 min，在此制度下固溶并進行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級時效后，合金的σb、σ0.2和δ分別為495 MPa、449 MPa 和12.6%.

圖1 單級固溶對7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.1 Effect of single-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

圖2 為7475 鋁合金單級固溶+雙級時效后的BF-TEM 圖像.對比圖2(a)～(f)，可以看出7475 鋁合金經過480 ℃/40 min 單級固溶再進行雙級時效，MPt 平均半徑為7.29 nm，更細小彌散；GBP 均呈斷續分布，平均長度為44.78 nm；PFZ 平均寬度為60.05 nm.與其它單級固溶制度相比，MPt 平均半徑、GBP 平均長度和PFZ 平均寬度均略有下降.

圖2 7475 鋁合金單級固溶+雙級時效后的BF-TEM 圖像[ (a)(b) 470 ℃/40 min；(c)(d) 480 ℃/40 min；(e)(f) 490 ℃/40 min]Fig.2 BF-TEM images of 7475 Al alloy after single-stage solution+dual-stage aging

Al-Zn-Mg-Cu 系高強鋁合金主要通過時效析出來強化，而固溶處理對時效強化效果是非常重要的.鋁合金在高溫固溶后淬火，使基體內形成過飽和固溶體，在時效處理過程中，過飽和固溶體分解析出強化相，阻礙位錯運動，從而提升合金強度[21].

合金在時效處理過程中，過飽和固溶體將突破時效強化相的臨界析出能壘，從而析出溶質原子.從過飽和固溶體中析出強化相的驅動力為[21-23]：

式中：

ΔFV——析出驅動力，J/m3；

R——氣體常數，8.314 J/(mol·K)；

NA——阿伏伽德羅常數，阿伏伽德羅常數，6.022×1023mol-1；

T——時效溫度，K；

V——原子體積，m3；

ct——基體在t時刻溶質濃度，mol/m3；

ce——基體平衡溶質濃度，mol/m3.

由式(1)可以得出，固溶度ct越高析出相析出驅動力ΔFV越大.當固溶溫度升高時，基體固溶度隨之增加.即固溶溫度越高，析出驅動力越大.

單級固溶制度為470 ℃/40 min 時，固溶不充分，故時效后合金的MPt 數量相對較少，強度相對低；經 490 ℃/40 min 固溶處理后，晶粒長大，晶界有輕微的過燒，晶界寬化，進而使合金的強度下降[16]；經 480 ℃/40 min 固溶處理后，第二相溶解相對最徹底，故雙級時效后強度最高.

2.2 雙級固溶對拉伸性能和微觀組織的影響第一級固溶制度為470 ℃/40 min，分別在490 ℃、495 ℃和500 ℃進行第二級固溶.圖3 為第二級固溶時間對7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖3 可以看出，隨著第二級固溶時間延長強度總體呈上升趨勢.7475 鋁合金最佳的雙級固溶制度為470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下固溶并進行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級時效，合金的σb、σ0.2和δ分別為499 MPa、454 MPa 和12.9%.

圖3 第二級固溶時間對7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.3 Effect of the secondary solution time on tensile properties of 7475 Al alloy

圖4 為7475 鋁合金第二級固溶溫度為490 ℃時，固溶不同時間+雙級時效后的BF-TEM 圖像.對比圖4(a)～(f)，可以看出第二級固溶時間為25 min時，雙級時效后MPt 更細更密，GBP 平均長度和PFZ 平均寬度均有小幅度下降.當第二級固溶時效從20 min 增加到25 min，MPt 平均半徑下降了0.55 nm，GBP 平均長度下降了1.41 nm，PFZ 平均寬度減少了2.37 nm.

圖4 7475 鋁合金第二級固溶溫度為490 ℃時，固溶不同時間+雙級時效后的BF-TEM 圖像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.4 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 490 ℃ for different time+dual-stage aging

第二級固溶溫度為495 ℃時，第二級固溶時間對拉伸性能和微觀組織的影響與490 ℃時基本類似，即表1 中7#、8#和9#樣品的拉伸性能和微觀組織與4#、5#和6#樣品的變化不大，故文中不再贅述.

圖5 為7475 鋁合金第二級固溶溫度為500 ℃時，固溶不同時間+雙級時效后的BF-TEM 圖像.對比圖5(a)～(f)，隨著第二級固溶時間的延長，固溶更加充分，固溶度更高.當第二級固溶時效從15 min增加到25 min，MPt 平均半徑下降了1.14 nm，GBP平均長度減小了2.24 nm，PFZ 平均寬度減少了2.85 nm，故合金的強度增高.

圖5 7475 鋁合金第二級固溶溫度為500 ℃時，固溶不同時間+雙級時效后的BF-TEM 圖像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.5 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 500 ℃ for different time+dual-stage aging

圖6 為第二級固溶溫度對7475 鋁合金拉伸性能的影響.從圖6 可以看出，第二級固溶時間為20 min 時，隨著第二級固溶溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度增加，而伸長率降低.從圖4(c)、(d)和圖5(c)、(d)可以看出，隨著第二級固溶溫度的提高，MPt 更細小，平均半徑降幅0.64 nm；GBP更短，平均長度減小1.6 nm；PFZ 更窄，平均寬度減少2.63 nm.故強度更高，延伸率略有下降.

圖6 第二級固溶溫度對7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.6 Effect of second-stage solution temperature on tensile properties of 7475 aluminum alloy

假設時效析出相為球形，時效強化析出相的臨界析出半徑可表達為[21-23]：

式中：

r*為臨界形核半徑，m；

γ為粒子與基體界面能，J/m2.

由式(2)可以看出，合金固溶度Ct越高析出相的臨界形核半徑r*越小.

在時效析出過程中，即析出相的形核與生長階段，析出相形核率根據文獻[21-23]可簡化為：

式中：

N˙為形核率，s-1·m-3；

N0為單位體積的原子數，m-3；

τ為孕育時間，s；

ΔG*為臨界形核激活能，J；

k為波茲曼常數，1.381×10-23J/K.

由式（3）可以看出，固溶度ct越高形核率越高.

雙級固溶時，通過第一級470 ℃低溫固溶處理溶解了合金中的低熔點共晶組織，從而提高了剩余相的共晶溫度，使得即使提高第二級固溶溫度也不發生過燒現象.隨著第二級固溶溫度升高和時間延長，殘余相回溶入Al 基體，固溶度提高，析出相的臨界形核半徑減小，形核率增加.

2.3 單級固溶與雙級固溶對拉伸性能和微觀組織的影響圖7 為單級固溶(470 ℃/40 min)與雙級固溶(470 ℃/40 min+500 ℃/25 min)對合金拉伸性能的影響.從圖7 可以看出，雙級固溶+雙級時效后強度和伸長率均增加，σb、σ0.2和δ分別提高了1.4%、1.6%和4.9%.對比圖2(a)、(b)與圖5(e)、(f)可以看出，雙級固溶后時效處理，晶界清晰，無過燒現象.MPt 更細小彌散，平均半徑下降了1.50 nm，GBP 平均長度降幅3.02 nm，PFZ 平均寬度減小了4.16 nm.故強度更高，且延伸率略有增加.

圖7 單級固溶與雙級固溶對7475 鋁合金拉伸性能的影響Fig.7 Effect of single-stage solution and double-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

綜合式(1)～(3)，隨著合金固溶度增加，析出相的析出驅動力增大、基體析出相形核率增加，析出相析出的臨界形核半徑減少，使得基體更容易析出數量多且細小彌散的析出相，從而增強時效強化效果，提升合金強度[15-16].

3 結論

(1) 7475 鋁合金最佳的單級固溶工藝為480 ℃/40 min，在此制度下單級固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級時效處理，合金的σb、σ0.2和δ分別為495 MPa、449 MPa 和12.6%.

(2) 7475 鋁合金最佳的雙級固溶工藝為470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下雙級固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 雙級時效處理，合金的σb、σ0.2和δ分別為499 MPa、454 MPa 和12.9%，與單級固溶后雙級時效處理相比，強度和伸長率均有所提高.且MPt 細小彌散，GBP 呈斷續分布，PFZ 較窄.

(3) 隨著第二級固溶溫度的提高，合金的屈服強度與抗拉強度均有明顯提升，伸長率略微下降.