等溫自由鍛溫度對7085鋁合金組織與性能的影響

梁信，陳康華，陳學海，陳送義，彭國勝

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金由于密度小、比強度和比剛度高等優點，已大量用在各個工業部門，其鍛壓件已成為世界各國航空、航天、交通運輸等領域不可缺少的結構材料[1?2]。經過幾十年的發展，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金已先后成功開發出了 7075，7475，7050和7150等系列鋁合金，得到了廣泛的應用。隨著新一代飛機的發展，上述 Al-Zn-Mg-Cu系高強鋁合金存在淬火敏感性高的問題，難以滿足當今對超大厚度(150 mm以上)航空鋁合金鍛件、預拉伸板制品提出的緊迫需 求[3?5]。為此，美國鋁業公司于2003年在國際上率先推出具有高強韌性和低淬火敏感性的 7085合金(Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.12Zr)，據文獻[6?8]報道：7085-T7狀態預拉伸超厚板(152 mm)與同厚度7050-T7合金板相比，其強度提高了15%，抗應力腐蝕性能和斷裂韌性 KIC值則基本相當，綜合性能全面超過7050系列合金性能，特別適合現代飛機上大厚度整體式結構件的制造，制成迄今為止最大的一個飛機模鍛件并應用在 A380飛機后翼梁上，尺寸為 6.4 m×1.9 m，質量約為3.9 t。因此，針對7085鋁合金鍛造工藝的研究具有十分重要的意義。Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的工業產品主要是通過鑄造、擠壓、軋制或鍛造工藝生產的。除鑄件外，其鋁制品的80%都是通過熱變形使材料顯微結構優化以獲得所需要的使用性能。鍛件和擠壓產品大都無需后續形變加工，熱加工后只經適當的熱處理就決定了產品自身的性能，因而熱加工及熱處理過程中顯微組織的演變對產品質量和性能有決定性作用。等溫鍛造是一種先進的鍛造技術，由于其可精確控制加工工藝參數(鍛造溫度、鍛造速率等)，可使產品具有均勻一致且穩定的微觀組織和優良的力學性能，使得等溫鍛造工藝成為當前研究的熱點。劉鳴等[9]研究了不同等溫鍛造溫度對 2B70鋁合金顯微組織與力學性能的影響，結果表明采用等溫鍛造工藝，顯微組織不具有明顯的方向性，晶粒多為等軸晶，具有優良的組織均勻性和穩定性。因此，確定合理的鍛造工藝參數是獲得高質量鍛件的關鍵問題。對于7085鋁合金的鍛造工藝參數仍處于專利保護之中，相關研究國內外也鮮有報道。因此，開展對7085鋁合金等溫鍛造工藝的深入研究，確定其合理的鍛造工藝參數具有十分重要的意義。本文作者在370～450 ℃之間的4個不同溫度下對7085鋁合金進行等溫自由鍛實驗，研究合金在不同的鍛造溫度下的組織演變規律，分析其性能的變化規律，最終確定合金的最佳等溫自由鍛造溫度。為7085鋁合金鍛件的成形工藝及有效地預測和控制鍛件的微觀組織結構及性能提供參考數據，具有十分重要的理論和實際應用價值。

1 實驗

以純鋁、純鋅、純鎂以及Al-Cu、Al-Zr中間合金為原料，按 7085名義成分(Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.12Zr)配料熔煉，熔煉溫度為760～800 ℃。除氣劑采用六氯乙烷(C2Cl6)，澆注前進行除氣，扒渣，靜置約30 min后澆入預熱鐵模(直徑85 mm)中。隨后將鑄錠在空氣爐中進行均勻化退火(450 ℃，24h+470 ℃，38 h)，空冷。

將均勻化后的7085鋁合金圓錠加工成為直徑70 mm，高110 mm的圓柱體。試樣在5 000 kN四柱液壓機上以 10?1s?1的恒應變速率沿高度方向進行等溫自由鍛造，鍛造工藝如圖1所示，每次變形量均為50%，最終鍛成長為150 mm，寬為60 mm，高為46 mm的方形鍛件。鍛造溫度分別為370，400，420和450 ℃。鍛造前采用自行設計與制造的安裝在壓力機工作臺面上的等溫自由鍛造加熱保溫爐進行加熱和保溫，其時間分別為1 h。為了防止鋁合金鍛造時粘模，鍛造前在試樣和墊板上涂抹潤滑劑(機油+石墨)。鍛造后，采用標準熱處理制度在470 ℃溫度下于空氣爐中進行固溶處理，保溫1 h 后立即淬入冷水中。淬火后馬上在鼓風干燥箱中進行T6峰值時效(120 ℃，24 h)。

在鍛件中心部分取樣，樣品經機械拋光后用Graff Sargent試劑腐蝕,Graff Sargent試劑成分為 3 g CrO3+0.5 mL HF+ 84 mL H2O+15.5 mL HNO3。腐蝕后試樣在光學顯微鏡下觀察合金固溶時效后的顯微組織，分別在低倍和高倍下觀察其再結晶情況和亞晶尺寸。拉伸實驗按照國標GB228—87在CSS?44100型電子拉伸機上進行，樣品受力直徑為6 mm。用JEOL掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖1 等溫自由鍛鍛造工藝圖Fig.1 Schematic of isothermal free forging process

剝落腐蝕試驗參照 HB5455—90標準進行, 腐蝕介質采用標準的EXCO溶液(4 mol/L NaCl+0.4 mol/L KNO3+0.1 mol/L HNO3)，試驗溶液體積與試驗溶液面積之比為25 mL/cm2，樣品除試驗面外其余各面由環氧樹脂密封，試驗時間為48 h，試驗溫度為25 ℃。間斷觀察腐蝕樣品的腐蝕情況，并拍攝樣品腐蝕后的宏觀形貌，同時按標準對腐蝕試樣進行評級。評級代號：N為無明顯腐蝕；P為點蝕；EA，EB，EC和ED分別代表剝落腐蝕逐漸加重。

2 結果與分析

2.1 鍛造溫度對固溶時效態組織的影響

圖2所示為7085鋁合金試樣在不同溫度下等溫自由鍛及熱處理后的顯微組織，其中白色區域為再結晶組織，黑色區域為未再結晶組織。由于Graff Seagent試劑優先腐蝕晶界和亞晶界[10]，未再結晶部分由于存在大量亞結構而被腐蝕呈黑色。由圖2可以看出：當鍛造溫度為370 ℃時(圖2(a)), 合金組織出現大量的白色區域，即再結晶組織，再結晶分數達到80%以上；當鍛造溫度為 400 ℃時(圖2(b))，再結晶體積分數減小；當鍛造溫度為420 ℃時(圖2(c))，合金組織出現大量細小且分布均勻的亞晶粒，再結晶體積分數很少；當鍛造溫度升高到450 ℃時(圖2(d))，合金組織只有少量的亞晶粒，大部分亞晶粒已經長大且分布不均勻。

鋁合金熱加工時，同時存在加工硬化和動態軟化2個矛盾的過程。變形時的位錯增殖和位錯間的交互作用導致加工硬化；位錯通過攀移或交滑移并在熱激活和外應力作用下發生相互合并、銷毀和重組使材料發生動態回復而軟化[11?12]。當鍛造溫度為370 ℃時，變形過程只發生少量的動態回復。塑性變形過程中大量的應變能被保留下來，降低了合金的再結晶溫度，因而在固溶時發生嚴重再結晶[13]。當鍛造溫度升高到400 ℃時，動態回復較多，塑性變形過程中的應變能被保留下來相對較少，導致固溶時再結晶分數降低。當鍛造溫度為420 ℃時，變形產生的位錯增殖和位錯銷毀之間達到動態平衡，合金中的亞晶平均尺寸、亞晶間平均取向差以及平衡位錯密度均保持基本不變，合金僅發生“重復多邊形化”，表現強烈的動態回復行為，應變能得到充分回復。固溶時，基本不發生再結晶。當鍛造溫度升高到450 ℃時，原子被激活發生位移，導致亞晶合并和長大。

圖2 不同鍛造溫度下合金的金相顯微組織Fig.2 Optical micrographs of studied alloys at different forging temperatures

2.2 鍛造溫度對力學性能的影響

圖3所示為7085鋁合金試樣在不同溫度下等溫自由鍛及固溶時效熱處理后的室溫拉伸性能曲線。由圖3可以看出：隨著鍛造溫度的升高，合金的屈服強度(σ0.2)和抗拉強度(σb)先緩慢上升，然后再迅速下降，伸長率(δ)先下降后升高。當鍛造溫度為370 ℃和400 ℃時，屈服強度和抗拉強度都較低，分別為470 MPa和510 MPa左右，伸長率約為14.5%。當鍛造溫度為420℃時，屈服強度和抗拉強度達到最高，分別為495 MPa和533 MPa，伸長率相應降低(13.3%)。鍛造溫度再升高時，合金的強度開始下降，伸長率稍有升高。根據Hall-Petch關系[14]，合金的強度與晶粒尺寸相關。晶粒越小，強度越高。當鍛造溫度為420 ℃時，合金組織出現大量細小且分布均勻的亞晶粒，對應強度較高，實驗結果與理論分析一致。當鍛造溫度升高或降低時，合金組織分別發生了晶粒長大和再結晶，導致強度下降。

圖3 不同鍛造溫度對合金力學性能的影響Fig.3 Influence of different forging temperatures on mechanical properties of alloy

圖4 所示為7085鋁合金試樣在不同溫度下等溫自由鍛及固溶時效熱處理拉伸斷口SEM像。由圖4可以看出：合金在370～450 ℃的4個不同鍛造溫度下的斷口照片都是以穿晶斷裂為主，沿晶斷裂為輔。鍛造溫度為370 ℃和400 ℃時(圖4(a)和圖4(b))，由于合金發生嚴重再結晶現象，晶粒粗大，使其斷口表面上的韌窩大且深，伸長率較高。鍛造溫度為 420 ℃時(圖4(c))，斷口表面分布大量細小均勻且淺的韌窩。鍛造溫度升高到450 ℃時(圖4(d))，晶粒發生長大，對應拉伸斷口的韌窩也較大。

圖4 不同鍛造溫度下合金拉伸斷口SEM像Fig.4 Fracture surfaces of alloys at different forging temperatures

2.3 鍛造溫度對剝落腐蝕的影響

圖5所示為7085鋁合金試樣在在不同溫度下等溫自由鍛及固溶時效熱處理剝蝕樣品的表面宏觀形貌。在浸泡初期，合金表面最先出現輕微的點蝕，隨著浸泡時間的延長，點蝕不斷加重，引起層間剝蝕。鍛造溫度為370 ℃和400 ℃時(圖5(a)和圖5(b))，試樣出現大量開裂“起皮”現象。鍛造溫度為420 ℃時(圖5(c))，試樣在點狀腐蝕基礎上出現“鼓泡”，只出現極小量的“起皮”現象。鍛造溫度升高到450 ℃(圖5(d))，“起皮”數量增加。剝落腐蝕評級結果如表1所示。

圖5 不同鍛造溫度下合金剝落腐蝕表面形貌Fig.5 Surfaces of exfoliation corrosion of studied alloys at different forging temperatures

表1 不同鍛造溫度下合金剝落腐蝕等級Table 1 Degree of exfoliation corrosion of studied alloys at different forging temperatures

一般認為剝落腐蝕是一種特殊的晶間腐蝕，當晶間腐蝕在扁平的、平行于合金表面的晶粒組織中進行時，不溶性腐蝕產物的體積大于所消耗金屬的體積，從而產生“楔入效應”，撐起上面沒有腐蝕的金屬，引起分層剝落，所以對于剝落腐蝕，晶界起著非常重要的作用[15?16]。鍛造溫度為370 ℃和400 ℃時，試樣發生嚴重再結晶，再結晶晶粒由于晶界角度較大，能量較高，時效析出相容易優先形核，形成連續分布且粗大的粒子，構成了陽極腐蝕通道，從而使合金的耐蝕性能惡化。鍛造溫度為420 ℃時，試樣未發生明顯再結晶，未再結晶晶粒晶界角度較小，能量較低，時效析出相在未再結晶晶界富集的程度低于再結晶晶界富集的程度，不易形成連續的晶界析出相且析出相粒子較小，晶間腐蝕較難深入，腐蝕程度低；鍛造溫度升高到450 ℃時，亞晶粒出現合并長大現象，晶界角度變大，晶界能量變高，時效析出相變連續且粗大，晶間腐蝕較易發生。

3 結論

(1) 7085鋁合金在370 ℃和400 ℃等溫鍛造時，合金組織發生嚴重的再結晶；在 420℃等溫鍛造時，合金組織出現大量細小且分布均勻的亞晶粒；鍛造溫度升高到450 ℃時，亞晶粒發生合并長大現象。

(2) 在370～450 ℃的鍛造溫度范圍內，合金的強度變化較大，伸長率變化較小，剝蝕抗力變化較大。綜合分析組織與力學性能的試驗結果，7085鋁合金最佳鍛造溫度為420 ℃，其抗拉強度、屈服強度、伸長率和剝蝕等級分別為533.2 MPa，495 MPa，13.3%和EA。

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