高強可焊7A62鋁合金的成分設計與跨尺度相強化作用

郎玉婧，周古昕，王 生，杜秀征，喬 麗，陳 敏，劉 敏

高強可焊7A62鋁合金的成分設計與跨尺度相強化作用

郎玉婧，周古昕，王 生，杜秀征，喬 麗，陳 敏，劉 敏

(中國兵器科學研究院 寧波分院，寧波 315103)

基于7A62鋁合金的成分設計，研究Zn含量和Zn/Mg質量比對Al-Zn-Mg合金強度的影響。采用透射電鏡(TEM和HREM)詳細地研究7A62鋁合金峰值時效的析出相，從多個晶體學方向觀察了強化析出相的形貌及其與基體的關系。結果表明：Zn/Mg質量比為2~3、Zn含量增加至6.84%(質量分數)時，7A62合金的強度明顯增加。峰值時效后，7A62合金基體形成了體積分數約60%、尺寸小于10 nm的沉淀強化相和體積分數約10%、尺寸為100~200 nm的彌散強化相。基體主要強化析出相是高密度均勻分布的′相，與基體呈現半共格和晶體取向關系，形成較高晶格錯配度；跨尺度位錯纏結的彌散強化相是由Al、Zn、Mg、Mn元素組成的平衡相。7A62合金的化學成分和微結構特征使其成為高強可焊的鋁合金。

7A62鋁合金；跨尺度；′強化相；晶格錯配；力學性能

可焊鋁合金結構材料是現代工業(yè)發(fā)展必不可少的關鍵材料，采用新一代高性能可焊鋁合金結構材料是滿足航空航天、交通運輸等領域關鍵構件輕量化的重要手段和有效途徑。AA7039和AA7020鋁合金是美國研發(fā)的Al-Zn-Mg中強鋁合金，作為板材和鍛件應用于美國“全焊接結構”的車輛制造[1?2]。7N01鋁合金是日本研發(fā)的Al-Zn-Mg中強鋁合金，作為型材應用于日本第二代“全焊接結構”高速鐵路車輛和日本新干線[3]。在Al-Zn-Mg合金的基礎上，俄羅斯通過添加合金元素Sc和Zr，開發(fā)了中強可焊的01975鋁合金[4]。我國在20世紀研發(fā)出了中強可焊的7A52鋁合金，并作為板材和鍛件應用于我國“全焊接結構”的車輛制造[5]。隨著車輛輕量化要求的進一步提高，周古昕研發(fā)出高強可焊Al-Zn-Mg鋁合金，2013年申請合金牌號為7A62，該合金與7A52鋁合金相比，抗拉強度提高25%以上，抗應力腐蝕的極限強度提高90 MPa左右；焊接工藝與7A52基本相同，焊接性能相當，可與7A52進行焊接連接，焊接兼容性好。目前，7A62鋁合金板材和鍛件已被應用于多種新型特種車輛中。

Al-Zn-Mg系合金是一種時效強化型合金，它的組織常為鋁基體中包含細小的(MgZn2)和′、粗大的T(Al2Mg3Zn3)、雜質相AlMnFe和Mg2Si等[6?7]；其強度主要得益于大量均勻彌散分布半共格′，少量共格GP區(qū)和Al3Zr相起到補充強化作用，與基體非共格相強化效果較弱，而粗大硬脆相會促進變形時裂紋的萌生[8]。縱觀國內外Al-Zn-Mg合金的發(fā)展，預設計一種強度明顯提升的新型可焊Al-Zn-Mg合金，必須通過合金成分設計調控組織結構以增強合金的力學性能。本文闡述了一種基于高密度跨尺度納米析出相強化理念設計的7A62鋁合金，其強化機制是通過適當增加Zn元素含量和采用適中Zn/Mg質量比，實現時效沉淀相最大化析出分散和高密度位錯纏繞平衡相的高剪切應力區(qū)。這種合金成分設計理念與“材料素化”新概念[9]異曲同工，不添加貴重或稀有元素，通過跨尺度構筑與組織結構調控，制造少合金化的“素”材料，大幅度提高材料的綜合性能。故本文作者通過7A62鋁合金的研發(fā)，研究調控Zn/Mg比例范圍和協同增加Zn含量對Al-Zn-Mg合金強度的影響規(guī)律，主要通過析出相結構、數量與尺度，以及其與基體界面關系的表征研究，分析了7A62鋁合金化學成分設計對組織調控的影響，探索討論7A62鋁合金跨尺度相的強化作用。

1 實驗

實驗所用的合金為高純99.99%Al、高純99.9%Mg、高純99.9%Zn，以及中間合金Al-10Mn、Al-50Cu、Al-2.5Zr、Al-3Ti等，設計的Al-Zn-Mg合金的名義成分列于表1。合金經740~760 ℃熔煉鑄造、(465 ℃，24 h)均勻化處理、420 ℃熱軋成形、(465 ℃，1 h)固溶處理、(121 ℃，24 h) T6峰值時效處理，合金制成20 mm厚板材。

化學成分依據GB/T 7999—2015采用直讀光譜法檢測。拉伸試驗在CMT?4105試驗機上完成，拉伸試樣沿軋制板材L-T方向制取，拉伸速度2 mm/min。布氏硬度測試在320HBS?3000布氏硬度試驗機上完成。合金薄膜試樣的顯微組織在FEI TECNAI G2場發(fā)射透射電鏡上觀察，加速電壓200 kV。電鏡薄膜樣品采用電解雙噴減薄技術制備，電解液為30%硝酸和70%甲醇溶液(體積分數)，電流50~70 mA，溫度控制?20 ℃左右。采用Image-Tool對TEM照片中′相和相進行統(tǒng)計。利用材料熱力學模擬軟件JMatPro7.0計算幾種典型中強可焊Al-Zn-Mg鋁合金第二相的平衡析出。

表1 設計的Al-Zn-Mg合金的化學成分

2 實驗結果

2.1 化學成分設計

高強可焊鋁合金的成分設計研究采用計算與實驗相結合的方法，由于形成平衡相MgZn2的Zn/Mg質量比應為5.27，故試驗設計考察(Zn)/(Mg)≤5的Al-Zn-Mg合金名義成分。通過試驗方法測得設計合金強度值與Zn/Mg質量比和Zn含量的變化曲線，見圖1，在1.43≤(Zn)/(Mg)≤3時，合金1#、2#、5#、6#和7#的強度隨Zn含量的增加而增強，合金7#的Zn含量為6.8%時，強度可達550 MPa以上；在3＜(Zn)/(Mg)≤5時，合金3#、4#和8#的強度也隨Zn含量的增加而增強，合金8#的Zn含量為7.5%時，強度為500 MPa；而當Zn含量一定時，(Zn)/(Mg)＞3的合金3#和4#的強度低于1.43≤(Zn)/(Mg)≤3的合金2#的強度。試驗結果表明：合金的強度受Zn/Mg質量比值協同Zn含量的共同影響，(Zn)/(Mg)＞3時合金強度下降明顯。由于高強可焊鋁合金設計抗拉強度的目標值≥ 550 MPa，伸長率≥7%，因此，新合金的成分設計Zn含量6.7%~7.4%以及Zn/Mg質量比范圍為2~3時，該鋁合金牌號為7A62。

圖1 高強可焊鋁合金成分設計的強度值變化曲線

實測7A62鋁合金的化學成分如表2所列。除Zn、Mg元素外，Cu是Al-Zn-Mg系合金中極為重要的元素，它能提高沉淀相的彌散度，改善晶間結構和沿晶腐蝕性能[10]。7A62合金中添加并控制Cu含量，可使合金具有良好的焊接性、較低應力腐蝕敏感性和淬火敏感性，添加微量的Mn、Cr、Zr、Ti元素能夠提高合金的再結晶溫度和細化鑄態(tài)組織晶粒，添加極微量Be元素可避免大鑄錠的熱裂傾向，少合金化并控制低含量雜質元素Fe和Si，合金將具有較高的強塑性和良好的加工成形性。

2.2 力學性能

圖2(a)所示為幾種典型的中強可焊Al-Zn-Mg合金規(guī)定的抗拉強度和伸長率以及7A62鋁合金設計的目標性能，圖2(a)所示01975[4]、7A52[11]、7039[12]、7020[13]、7N01[3]合金隨著強度的增加伸長率減小；其中01975合金中添加了Sc元素形成細小彌散的Al3(Sc、Zr)粒子，提高強度同時具有較高的塑性[14]，但明顯增加合金成本。圖2(b)所示為7A62-T6合金的拉伸應力?應變曲線，實測的抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別是615~645 MPa、575~603 MPa及11%~14%。7A62鋁合金表現出更高的時效硬化，布氏硬度HB達165~175，抗拉強度和屈服強度較7A52鋁合金均增加了約150 MPa，布氏硬度HB增加了約30，且沒有犧牲合金伸長率，這一現象超越了鋁合金強?塑性關系特征。拉伸試驗和硬度試驗結果表明：采用(Zn)/(Mg)≈2.6同時提高Zn含量至6.84%(質量分數)，更有利于Al-Zn-Mg系合金的強化作用；適當降低Si、Fe、Cr的含量，能有效地提升合金塑性。

表2 7A62鋁合金的實測化學成分

1) Impurity elements; 2) Controlled element; 3) Investigated elements; 4) Valuable elements

圖2 典型中強可焊Al-Zn-Mg合金的標準最小抗拉強度和伸長率變化特點和7A62-T6合金的拉伸性能曲線

2.3 時效強化相

圖3 7A62鋁合金T6態(tài)基體納米析出相的明場像和晶帶軸的衍射圖

圖4 7A62鋁合金T6態(tài)基體強化相的HREM像

在7A62鋁合金中添加Zr元素用以細化鑄態(tài)組織晶粒，同時在基體中析出納米級高溫強化相，進一步提高合金的基體強度和高溫穩(wěn)定性。圖4(f)所示為具有超點陣結構的Al3Zr相HREM像。Al3Zr相沿{100}Al面析出，為直徑約20 nm圓球狀，與基體完全共格，強化相的襯度明顯。盡管數量較少(如圖3(a)中12~20 nm球狀析出相)，但納米尺度與基體完全共格的Al3Zr粒子起到強化基體的作用，因此，Zr是7A62鋁合金中極為重要的元素之一。

2.4 平衡相

圖5所示為7A62-T6合金基體晶內平衡相TEM像。由圖5(a)可以看到，晶內存在著大量位錯結構，且伴隨著近球狀的平衡相，沿軋制方向均勻地分布著，尺寸在100~200 nm左右，體積分數約10%(見表3)。這些平衡相的粒子主要以橢球形和長棒狀形貌為主(見圖5(b)~(d))，長度方向沿變形方向生長且分布較均勻一致，圖5(b)中橢球狀平衡相的TEM-EDS分析如表4所示，該相主要由Al、Zn、Mg、Mn元素組成，是Al-Zn-Mg系合金中強化相-Al2Mg3Zn3中一部分Zn被Mn置換轉變而來的，形成較高熔點平衡相，襯度呈黑色。圖5(c)中顯示長棒狀粒子的襯度幾近相同，長棒狀平衡相的TEM-EDS分析如表4所示，該相主要由Al、Zn、Mg、Mn元素組成，但溶質元素含量較平衡相偏少，襯度呈灰色。圖5(d)中異質形核互生的黑色程度橢球狀平衡相也是由Al、Zn、Mg、Mn元素組成(見表4)，溶質元素含量較高。由圖5和表4中TEM-EDS分析可知7A62-T6鋁合金基體中100~200 nm平衡相均為富Mn-Al(Mg、Zn、Mn)相，可強化基體；由于Mn原子的置換，平衡相電位(?0.813 V)更加接近鋁基體(?0.802 V)，提升合金強度的同時有助于抗應力腐蝕性能[18]。因此，除Zn、Mg元素外，Mn是7A62鋁合金中極為重要的元素之一。

圖5 7A62鋁合金T6態(tài)基體平衡相的TEM像

表3 7A62-T6合金基體中η′相和T相的體積分數及尺寸

表4 7A62鋁合金T6態(tài)基體彌散析出相的化學成分

3 分析與討論

3.1 成分設計分析

利用熱力學計算幾種典型中強可焊Al-Zn-Mg系合金的相平衡析出，分析7A62合金成分設計對組織和性能的影響。圖6(a)所示隨著主元素Zn含量的增加，′相含量隨之增加，相含量隨之減少；圖6(b)所示隨著(Zn)/(Mg)的增加，′相含量隨之先增加后減小，相含量隨之減少，當(Zn)/(Mg)接近3時，無相生成。這是因為Al-Zn-Mg系合金中GP區(qū)是Zn和Mg原子的偏聚區(qū)，Zn/Mg質量比由1~1.4之間變化；圓片狀亞穩(wěn)相′的化學成分配比(Zn)/(Mg)為1.4~5.2，均被認為是富Zn相，GP(Ⅰ)區(qū)是′相的異質形核位置；當Zn含量增高，原子濃度較高更有利于Zn原子熱擴散形核，形成相對穩(wěn)定的′相；(Zn)/(Mg)較高時，無過剩Mg元素生成相。研究表明，(Zn)/(Mg)在2~3范圍內，隨著Zn含量的增加，01975合金和7A62合金的強度優(yōu)勢顯著(見圖2(a))，7A62鋁合金通過Zn含量和(Zn)/(Mg)設計，調控基體顯微結構獲得′相和相的析出量及尺度的匹配，使得7A62鋁合金的強度明顯升高，塑性較好。

圖6 典型中強可焊Al-Zn-Mg系合金中T相含量和MgZn2相含量隨添加元素Zn含量和m(Zn)/m(Mg)的變化特征

7A62鋁合金較7A52合金強度顯著增加150 MPa而塑性相當的原因分析如下：如圖6所示，7A52采用(Zn)/(Mg)≈1.8協同Zn含量4.4%(質量分數)，而通過化學成分設計的7A62采用(Zn)/(Mg)≈2.6協同增加Zn含量至6.84%(質量分數)；這樣以來，一方面使得7A62合金中′相的含量從2%增加到7.5%左右，這種基體高密度′相是其強度顯著提升的主因；另一方面使得7A62合金中相含量從4.4%減少到1.8%左右，這種彌散相形成高剪切應變區(qū)復合強化合金，由于相仍為納米粒子，因此，不會削弱7A62合金的塑性。故7A62合金化學成分設計獲得亞穩(wěn)態(tài)′相沉淀強化和相彌散強化的復合強化作用，使得合金力學性能具有顯著優(yōu)勢。

3.2 復合強化作用分析

通過對7A62鋁合金力學性能測試和顯微結構觀察分析，構成了對該合金的初步認識。高強可焊7A62鋁合金化學成分設計突破了常規(guī)Al-Zn-Mg系合金單一沉淀強化機制，將高密度分散的5 nm左右球形半共格析出相沉淀強化和大量位錯纏結均勻分布的200 nm左右近球形析出第二相強化結合，基于高密度納米析出和較高晶格錯配的理念，提高主元素Zn含量6.7%~7.4%和采用(Zn)/(Mg)為2~3，通過化學成分設計增加合金基體中主強化相′的數量，控制微米級粗大硬脆初晶相的形成，取而代之析出近球形100~200 nm平衡相。7A62合金的強度主要依賴于納米級沉淀析出′相，其次是跨尺度相納米粒子。

4 結論

1)在Al-Zn-Mg系合金中，在1.43≤(Zn)/(Mg)≤3時，合金的強度隨Zn含量的增加而增強；當Zn含量一定時，(Zn)/(Mg)＞3的合金強度低于1.43≤(Zn)/(Mg)≤3的合金強度。高強可焊7A62鋁合金的成分設計，基于高密度較高晶格錯配的跨尺度納米析出相強化理念，采用了主元素Zn含量為6.7%~7.4%和(Zn)/(Mg)為2~3。

3) 7A62-T6合金的抗拉強度為615~645 MPa，屈服強度為575~603 MPa，伸長率為11%~14%，布氏硬度HB為165~175，成為可焊接Al-Zn-Mg系的高強鋁合金。

致謝：

感謝劉穩(wěn)對于7A62鋁合金材料力學性能測試工作，感謝劉敏對于本項目科研經費的管理。

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Composition design and trans-scale precipitates strengthening of high-strength weldable 7A62 Al-alloy

LANG Yu-jing, ZHOU Gu-xin, WANG Sheng, DU Xiu-zheng, QIAO Li, CHEN Min, LIU Min

(Ningbo Branch, China Academy of Ordnance Science, Ningbo 315103, China)

The effects of Zn content and mass ratio of Zn and Mg on the strength of the Al-Zn-Mg alloys were investigated in order to develop a high-strength weldable 7A62 Al-alloy. The hardening precipitates of the 7A62 Al-alloy treated by peak aging were investigated in detail by transmission electron microscopy (TEM and HREM). The results show that the strength of 7A62 alloy with(Zn)/(Mg) of 2?3 and Zn content of 6.84% (mass fraction) increases obviously. After peak ageing, this alloy has the precipitates with volume fraction of 60% and the size ＜10 nm, and has the dispersed particles with volume fraction of 10% and the size of 100?200 nm. The high density uniformity′ particles are the main strengthening precipitates in the matrix, and are semi-coherent or orientation relationships with the Al matrix, and form the high lattice mismatch. The trans-scale dispersed particles tangled by the dislocation are composed of Al, Zn, Mg, Mn elements. The new 7A62 aluminum alloy can become the high strength of weldable Al-Zn-Mg alloys due to the chemical composition and microstructure characteristics.

7A62 aluminum alloy; trans-scale;′ hardening phase; lattice misfit; mechanical properties

2018-05-18;

2018-09-20

ZHOU Gu-xin; Tel: +86-574-87902219; E-mail: zhouguxin52@163.com

1004-0609(2020)-01-0009-09

TG146.21

A

10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-39300

2018-05-18；

2018-09-20

周古昕，研究員；電話：0574-87902219；E-mail：zhouguxin52@163.com

(編輯 李艷紅)