低溫球磨對7050鋁合金組織及力學性能的影響

張海平, 王旭東, 李炯利, 何天兵, 曹 振, 陳軍洲

Al-Zn-Mg-Cu系（7×××）鋁合金具有比強度高，熱加工性能好，耐蝕性能優良等特點，自問世以來便是航空航天領域的重要結構材料[1-2]，采用優化合金成分、改進熔煉工藝、改進熱處理和熱加工工藝等方法提高Al-Zn-Mg-Cu系合金室溫拉伸性能的幅度已十分有限[3]。機械合金化是將粉末材料在高能球磨機內進行球磨，粉體被反復擠壓、變形、斷裂及焊合，從而在較短時間內使材料的晶粒降至100 nm以下[4]。低溫球磨是在傳統機械球磨過程中引入液氮等低溫介質，可以有效減少粉體材料的氧化，還能抑制回復和再結晶作用，從而更快實現粉體材料的晶粒細化，國內外學者在Fe[5]，Ti[6]，Mg[7]和Al[8-10]等基體中均開展了相關研究。

前期報道過采用低溫球磨來制備納米晶7050鋁合金的相關研究[11]，但是由于球磨參數與熱等靜壓工藝的不匹配，使得樣品內部存在較多孔隙，降低了鋁合金塊體的力學性能。本工作在前期研究的基礎上，采用優化后的低溫球磨工藝制備了7050鋁合金納米晶粉末，采用熱等靜壓、熱擠壓的方式獲得致密的鋁合金桿材，并對所制備材料的微觀組織及力學性能進行分析。

1 實驗材料方法

實驗所用7050粉末為氮氣霧化制備，粒度為200～400目，基本化學成分如表1所示。液氮為北京京高氣體有限公司提供的99.999%高純液氮。

實驗步驟：（1）將7050鋁合金粉末置于攪拌式球磨機中，充入液氮，待液氮全部浸沒磨球后，開始球磨，轉速180 r/min，球磨時間為2 h。磨球材質為軸承鋼，球料比為30∶1，球磨過程中始終保持液氮浸沒全部磨球。球磨后取出粉體，在氮氣保護手套箱中使液氮揮發，粉體恢復至室溫，并裝入鋁合金包套；（2）從手套箱取出包套后立即進行真空除氣，除氣溫度為400 ℃，時間為2 h，真空度為2 ×10–3Pa，除氣結束后將包套焊合密封；（3）將密封后包套進行熱等靜壓，溫度為460 ℃，壓力110 MPa，保溫保壓2 h，待爐溫降至100 ℃后取出樣品，機械加工去掉外層包套，得到80 mm× 110 mm坯料；（4）將坯料在420 ℃下，擠壓為直徑15 mm桿材，用于后續組織、性能分析；（5）擠壓桿材進行T6熱處理，470 ℃固溶2 h，水淬，120 ℃時效24 h。為了進行比較，采用未球磨的7050粉體，采用相同熱等靜壓、熱擠壓和熱處理工藝制備了空白樣品。

表1 霧化7050鋁合金粉體化學成分（質量分數/%）Table 1 Chemical composition of as-atomized 7050 aluminum alloy powder (mass fraction/%)

采用阿基米德排水法測量制備的7050鋁合金樣品密度；采用顯微硬度儀測定合金維氏硬度，9.8 N載荷下保壓15 s，每次測5點，取平均值；采用D8 advance X射線衍射儀分析粉體、塊體材料的物相變化；采用leica DM4M光學顯微鏡、Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡觀察合金的微觀組織；采用JEOL JSM-7001F掃描電子顯微鏡對材料進行EBSD分析；采用Instron 5887萬能材料試驗機測試材料拉伸性能，試樣標距段長度25 mm，直徑5 mm，拉伸速率1 mm/min，拉伸性能取3次平均值。

2 結果與分析

2.1 低溫球磨對粉末的影響

氣霧化7050粉體以及低溫球磨2 h后的粉體形貌如圖1所示。原始氣霧化粉體為規則球形，尺寸約30～70 μm；液氮低溫球磨2 h后，粉體形貌變得不規則。研究表明[11-12]，不規則形貌的粉體有利于熱等靜壓過程中粉體的裝填，對燒結過程中粉體的致密化有積極作用，相對于球磨后薄片狀粉末，能有效提高燒結后樣品致密度。

圖2（a）為氣霧化粉體和低溫球磨后粉體的XRD圖譜，可以看到，低溫球磨后Al和MgZn2的特征峰均發生寬化。在球磨過程中，晶粒細化和微觀畸變都會使得XRD峰寬化，平均晶粒尺寸d與粉末均方根應變 ＜ e2＞1/2滿足以下方程[13-14]：

式中：δ（2θ）為測量的積分寬度；θ0為衍射峰對應的衍射角；λ為入射波長。

采用最小平方擬合 δ（2θ）2/tan2θ0和 δ（2θ）/（tanθ0sinθ0）可得到 d 和 ＜ e2＞1/2（如圖 2（b）所示）。由式（1）可得到，氣霧化后粉末晶粒為103 nm，均方根應變 ＜ e2＞1/2為 5 × 10–4；而經過 2 h 低溫球磨后，粉末晶粒降低到54 nm，均方根應變 ＜ e2＞1/2為2 × 10–3。說明經過低溫球磨，粉末晶粒得到了明顯細化，同時粉末內部的微觀應變明顯增大。

2.2 低溫球磨對塊體組織的影響

擠壓后7050桿材的密度如表2所示，相對于7050 合金的典型密度（2.83 g/cm3）[15]，氣霧化粉體和低溫球磨粉體制備的樣品均達到了較高的致密度（＞ 99%），經低溫球磨工藝的樣品致密度略有提高。

氣霧化粉末和低溫球磨粉末經熱等靜壓，熱擠壓的方式獲得了直徑15 mm桿材，兩者的擠壓態和T6熱處理態樣品的OM和EBSD組織圖片如圖3所示。由圖3可以看到，在擠壓態，低溫球磨粉末制備的樣品晶粒尺寸（2.34 μm）比氣霧化粉末制備的樣品晶粒尺寸（3.42 μm）降低了31.6%，而經過T6熱處理后，氣霧化粉末制備的樣品晶粒尺寸（56.5 μm）長大到16.5倍，而低溫球磨粉末制備的樣品晶粒尺寸變化不明顯（2.39 μm），與之前報道的結果相似[11]。在低溫球磨過程中，作為球磨介質的液氮和鋁合金粉末發生部分反應，產生了細小的AlN顆粒，同時裝有低溫球磨粉末的包套從手套箱中取出后難以保證粉末完全不與空氣接觸，球磨后新鮮的Al合金表面易與空氣中氧氣發生反應，生成Al2O3。正是由于AlN，Al2O3等細小顆粒的存在，能起到釘扎晶界、阻礙熱處理過程中晶粒長大的作用。

表2 7050鋁合金氣霧化與低溫球磨粉體制備的塊體密度Table 2 Comparison of 7050 aluminum alloy buck density of as-atomized and cryomilled powder after extrusion

氣霧化粉末和低溫球磨粉末制備的塊體經T6熱處理后樣品的TEM圖像如圖4所示，XRD圖譜如圖5所示。可以看到，除Al基體以外，兩個樣品中均存在納米級針狀的CuAl2相和等軸的Al2CuMg相[16]，但是未經球磨的樣品中，XRD中析出相的衍射強度和TEM中析出相的數量均明顯小于低溫球磨的樣品。這主要是因為經氣霧化和低溫球磨后，樣品中的合金元素多數仍固溶于Al基體中（如圖2（a）所示），熱等靜壓+熱擠壓過程中固溶的合金元素形成了析出相，而在隨后的T6熱處理過程時，析出相將回溶到鋁基體中；但是未經低溫球磨的樣品，晶粒在熱處理時發生明顯長大，使得部分析出相能充分長大，最終達到亞微米級（如圖4（a）所示），而低溫球磨的樣品晶粒在熱處理過程中變化不明顯，使得熱處理后析出相難以充分長大；正是由于熱處理后晶粒尺寸的顯著差距，使得未低溫球磨樣品中存在亞微米的析出相和少量的納米析出相，而低溫球磨后樣品中只存在大量細小、均勻分散的納米級析出相。

2.3 低溫球磨對力學性能的影響

氣霧化粉體和低溫球磨粉體制備的塊體擠壓態和熱處理態的顯微硬度結果如圖6所示，相對于擠壓態，T6熱處理后材料的顯微硬度明顯提高，但在相同狀態下，低溫球磨樣品和氣霧化樣品相比，其顯微硬度提升并不明顯。

兩種樣品的拉伸性能結果如表3所示，擠壓態時，低溫球磨樣品的屈服強度和抗拉強度均低于未球磨粉體成型得到的樣品，這主要是因為低溫球磨后的粉末表面存在細小的AlN，Al2O3等硬質顆粒，擠壓后易在材料中形成局部內應力，從而在拉伸過程中引發微裂紋，從而降低擠壓態材料的強度。兩種樣品經過T6熱處理后，兩者的屈服強度、抗拉強度和伸長率均明顯提高，更重要的是，低溫球磨樣品的屈服強度和抗拉強度相對于未經球磨的樣品分別提高了29%和18%;另一方面，T6熱處理后，樣品的拉伸斷口如圖7所示，可以看到兩種樣品的拉伸斷口均存在大量的韌窩，說明引入低溫球磨后，材料仍保持了良好的塑性。這主要是因為熱處理過程消除了擠壓過程中產生的內應力，同時低溫球磨的引入顯著的細化了材料晶粒，并且使材料中的析出相由亞微米轉變為納米級，均勻分布于基體中（如圖4所示），能有效提高材料的強度，同時對材料的塑性影響較小。

表3 7050鋁合金氣霧化粉體與低溫球磨粉體燒結后塊體擠壓態與T6態力學性能對比Table 3 Comparison of mechanical properties of 7050 aluminium alloy samples prepared from as-atomized powder and cryomilled powder after extrusion and T6 heat treatment

3 結論

（1）低溫球磨使氣霧化球形7050鋁合金粉末變成不規則狀，粉末的晶粒由103 nm細化到54 nm。粉末內部的均方根應變 ＜ e2＞1/2由 5 × 10–4提高到2 × 10–3。

（2）氣霧化粉體和低溫球磨粉體制備的樣品致密度均在99%以上；擠壓后，低溫球磨粉末制備的樣品晶粒尺寸比氣霧化粉末制備的樣品降低了31.6%，T6熱處理后，氣霧化樣品晶粒長大到16.5倍，而低溫球磨樣品的晶粒尺寸基本不變。

（3）熱處理后，兩樣品在基體中均析出了納米級的CuAl2相和Al2CuMg相，但低溫球磨樣品中的析出相數量明顯多于氣霧化樣品。

（4）熱處理后，兩樣品的顯微硬度均大幅提高，但兩樣品間的顯微硬度差異較小。低溫球磨樣品抗拉強度比氣霧化樣品提高了18%，且兩樣品的延伸率均大于15%。

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