Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態成形的研究現狀與應用

張樹國，裴桓偉，楊湘杰

（1.南昌航空大學，南昌 330063；2.江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌 330031）

Al-Zn-Mg-Cu 系（7×××系）合金是鋁合金系列中抗拉強度最高的材料，適用于制造承力結構件，如飛機大梁、析條、翼柱、起落架等，成為航空、航天領域應用廣泛的輕合金之一，其制造方法一般為鍛造和擠壓等塑性成形工藝[1]。國內外學者對Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能及成形進行了大量的研究，并獲得了重要進展，促進了其在工業產品中的應用，尤其是在航空航天產業中的大量使用[2]。雖然塑性成形工藝能保證零件的高強度，但其主要缺點是抗疲勞性能較差，連接性差，有應力腐蝕及熱裂傾向，且不能生產形狀復雜的零件，生產成本高。采用傳統的金屬型鑄造、重力鑄造或壓力鑄造等成形的主要問題在于成形過程中的充型難度大、熱裂傾向嚴重。半固態成形技術是在模具和外界載荷的共同作用下，利用金屬材料固液共存狀態下的獨有流變特性，實現目標結構件成形的一種先進成形技術[3]。半固態成形技術用于Al-Zn-Mg-Cu 系合金的加工，可以制造出形狀復雜的零部件，同時保持其高強度，從而實現部分產品以鑄代鍛，節約能源，提高生產效益[4—5]。文中從Al-Zn-Mg-Cu合金半固態成形技術與工藝研究、半固態成形合金的成分調控、微觀組織結構與性能等方面進行一定的分析和展望。

1 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態成形技術與工藝

隨著半固態金屬流變成形技術的不斷發展，半固態金屬漿料的制備工藝也呈現出新的特點，即在力求獲得高品質半固態金屬漿料的同時，進一步縮短和簡化制備流程，降低漿料的制備成本，并使之與后續的成形工藝有較好的銜接[6]。前期出現的典型制備工藝有傾斜板澆注工藝（New rheocasting，NRC）[7]、SEED（Swirl Enthalpy Equilibration）法[8]、應變誘發熔化激活法（SIMA）[9—10]和新MIT 法等[11]。近年來，國內外學者對Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態成形技術進行了不斷的研究和探索，簡要介紹如下。

1.1 環縫式電磁攪拌技術

李春林等[12]通過環縫式強電磁攪拌制漿方法，結合壓鑄和擠壓鑄造工藝實現了 7075 合金的流變成形。電磁攪拌法在日常的漿料制備過程中自動化程度高，產能大，應用比較廣泛，但也存在如攪拌不均勻，不能使漿料更好地融合等不足，因此研究人員通過對設備進行改進并發明了環縫式強電磁攪拌制漿技術。經實驗發現，傳統鑄造產生的漿料晶粒形狀粗大、大小不均勻，環縫式強電磁攪拌制漿的條件下，得到的漿料晶粒形狀變細，相比之前有明顯的減小。環縫式強電磁攪拌制漿技術與傳統壓鑄、擠壓鑄造等工藝實現了有效對接，解決了傳統高強變形鋁合金不能直接鑄造成形的技術難題，能生產出滿足軍工要求的關鍵輕量化零件。胡斌等[13]通過研究比較了普通電磁攪拌、化學細化法對擠壓鑄造7075 合金的凝固組織和力學性能，研究結果顯示，環縫式電磁攪拌熔體處理技術顯著減弱了普通電磁攪拌所固有的集膚效應對合金凝固組織的影響，合金熔體的溫度場和成分場更加均勻，更利于熔體“凝固初期晶核”瞬間大量生成，獲得細小均勻的凝固組織。何敏等[14]通過開發復合環縫式電磁攪拌（Multi-Annular Electromagnetic Stirring,M-AEMS）熔體處理方法，同時研制了M-AEMS 熔體處理裝置，對7075 合金進行了擠壓鑄造成形，晶粒更加細小、均勻，鑄件的力學性能達到鍛件水平。

1.2 蛇形通道澆注法

ZHU Wen-zhi 等[15]和涂琴等[16]采用蛇形通道澆注法制備了7075 鋁合金半固態漿料，研究了澆注溫度、通道材質等對7075 鋁合金半固態漿料組織的影響，所形成的鋁合金漿料組織由枝狀晶向薔薇狀直至球狀或類球狀晶轉變，形成的晶粒越細小、圓整、均勻，銅質材料優于石墨質蛇形通道。趙文濤等[17]采用自制的水冷銅質蛇形通道裝置制備了半固態7075 鋁合金漿料，結果顯示采用低過熱度澆注制備半固態7075 鋁合金漿料過程中，合金熔體在具有一定弧度且封閉的蛇形彎道內流動并多次改變流動方向，具有類似攪拌功能，使得初生晶核逐漸演變為球形或近球形晶粒，其初生α-Al 的平均晶粒尺寸小于41 μm，形狀因子大于0.79。

1.3 復合式半固態成形

付金龍[18]基于ECAP-SIMA（等徑角擠壓技術-應變誘導熔化激化法）方法制備了7075 半固態鋁合金，對其組織演化機理、工藝參數對球狀晶形貌的影響規律進行了分析，半固態組織比常規重熔再結晶法（RAP 法）制備的半固態組織更加細小、均勻、圓整。鄭小平等[19]采用熱軋+半固態熱處理+熱軋的工藝制備出7075 鋁合金半固態板材，并對其微觀組織和力學性能進行了研究。韓飛等[20]對7075 鋁合金半固態觸變-塑變復合成形進行了試驗研究，采用三段式感應加熱得到了某型號尾翼半固態觸變-塑變復合近凈成形的梯度分布組織。Kerem Altug GULER 等[21]用冷卻傾斜板鑄造法制備AA7075 半固態鑄錠，并對其進行再加熱和觸變鍛造成形，結果顯示，材料的晶粒尺寸和球形度較好，采用60°傾斜角的結果更好。

1.4 其他制漿及成形方法

楊斌等[22]用倒錐形通道的方法制備了半固態7075 鋁合金漿料，通道內壁的殘余料比較少，減少浪費，提高了漿料的利用率；宋曉俊等[23]采用倒錐形通道制備半固態7075 鋁合金漿料，漿料組織分布較均勻，后續流變壓鑄件的組織也均勻、致密，表明通過此工藝方法可獲得力學性能較好的半固態7075 鋁合金壓鑄件。林方成[24]及劉洪軍等[25]研究了再結晶重熔（RAP）法制備半固態7075 鋁合金的數值模型。郭保永[26]提出熱擠壓態鋁合金直接半固態等溫處理（Semi-Solid Isothermal Treatment of Hot-Extrude Aluminum Alloy,SSITHEAA）法制備半固態坯料，基于此方法研究了熱擠壓態7075 鋁合金半固態坯料的制備及觸變擠壓成形工藝。Zhou Bing 等[27]采用強制對流流變裝置（FCR）制備了7075 鋁合金半固態漿料，隨著攪拌速度的增加，半固態組織的晶粒尺寸減小，形狀因子及粒子數增加。高靜[28]以及李春曉等[29]采用應變誘發熔化激活（SIMA）法制備7075 鋁合金半固態觸變坯料。朱永博等[30]采用剪切低溫澆注式（LSPSF）半固態漿料制備工藝制備7075 鋁合金鑄棒，并依次進行均勻化處理、熱擠壓和T6 熱處理，研究了熱擠壓和熱處理對鋁合金顯微組織和拉伸性能的影響。

2 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態成形合金的成分及微結構調控

半固態成形的主要優勢之一為成形件致密，可通過熱處理進一步提高性能，但研究發現，固溶時效處理時，合金元素含量及其在基體中的固溶度的大小、沿晶界分布的低熔點共晶產物的多少和分布、過飽和固溶體回溶分解析出彌散相和固溶時不能溶入的過剩相的分布等，嚴重影響力學性能。在鋁合金中添加微量元素細化組織是提高鋁合金力學性能的重要手段之一，半固態成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的成分調控、微合金化及微觀組織結構控制方面的研究，也有研究人員進行了一定的探索。

?.Rogal 等[31]研究了添加Sc 和Zr 的7075 鋁合金半固態觸變加工，結果表明，球狀晶粒非常細小，平均尺寸為23 μm，在α(Al)晶粒中發現Al3(Sc，Zr)初生析出物，晶粒尺寸在5 μm 左右。S.R.Damadi等[32]研究開發了一種適用于同向雙螺桿流變擠壓的7×××鋁合金，以Al-14Zn-9Mg-5.2Cu 為標準成分，在固相分數為0.6 和轉速為450 r/min 的條件下，流變擠壓試樣的力學性能達到鍛件水平。程遠勝等[33]基于鋁基復合材料優異的物理及力學性能、半固態成形“固液共存”的良好擴散性及流動性而提出了復合材料模鍛連接工藝，并利用該工藝成功制備出7075-SiC/7075 復合材料，通過交叉分析不同工藝參數條件下的界面性能，證明在615 ℃、326 MPa 的最佳工藝條件下，界面剪切強度達到260 MPa。楊斌等[34]通過球磨混粉+半固態燒結法成功制備出質量分數為0.5%的石墨烯/ 7075 鋁基復合材料，復合材料中的石墨烯納米片均勻分散在7075 鋁合金基體中，相比于未添加石墨烯的7075 鋁合金基體，復合材料的密度有所下降，維氏硬度和抗拉強度則分別提高了14%和32%，伸長率無明顯變化。

朱永博等[23]研究了熱擠壓與熱處理對半固態方法制備7075 鋁合金顯微組織與拉伸性能的影響，結果顯示鑄態鋁合金中的近球形晶粒在熱擠壓過程中變為不規則形狀，經T6 熱處理后，鋁合金組織中出現較明顯的晶界；熱擠壓和T6 熱處理使鋁合金組織中的（110）晶面產生擇優取向。朱成等[35]研究了半固態等溫熱處理過程中，7075 合金由枝晶組織轉變為非枝晶組織的演變機理，并對比了半固態組織和鑄態組織相組成的區別，結果表明，非枝晶組織的形成經過分枝特征的消失、晶界的平直化、晶界的弧狀化與晶粒的長大3 個階段，7075 鑄態枝晶組織與半固態組織的組成相相同，都是由α-Al，η(MgZn2)和θ(Al2Cu)組成。齊元昊等[36]研究了Al-Zn-Mg-Cu 合金在加熱到半固態兩相區溫度等溫保溫過程中的組織粗化規律，結果表明實驗合金組織的多邊化、球化和粗化現象是同時發生的，組織粗化以晶粒合并長大和Ostwald 熟化的方式進行。Chen Gang 等[37]研究了觸變成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的組織演變和力學性能，基于多級再加熱觸變成形制件的力學性能接近鍛件水平。N.Mahathaninwong 等[38]認為流變鑄造7075 合金固溶溫度過高如480 ℃時，會發生Mg2Si 粒子的過熱熔化，導致性能惡化；球晶粒子及晶粒細小，使得合金的硬度和強度提高；合金的主要硬化相為η相，而在較高時效溫度下，η相的早期成核導致合金強度綜合性能降低。

3 Al-Zn-Mg-Cu 合金半固態成形的組織與力學性能

3.1 合金微觀組織

高志華等[39]利用螺旋式環縫電磁攪拌處理，通過對溫度、攪拌頻率、芯棒等的控制，對7075 合金進行合金組織分析。在澆注溫度為650 ℃和攪拌電流為20 A 時螺旋式環縫電磁攪拌條件下的7075 鋁合金有很好的晶粒細化作用，能使其從樹狀晶變成尺寸更小的等軸晶，約為70 μm。胡斌等[13]對合金熔體同時進行環縫式電磁攪拌和添加Al-Ti-B 化學細化劑處理，擠壓鑄造的7075 鋁合金顯微組織變得更加細小、均勻、圓整，晶粒尺寸縮小為69 μm，形狀因子達到0.62。趙君文等[40]采用不超過1 kW/kg 的攪拌功率制備出7A04 鋁合金大體積半固態漿料，在澆注溫度為650 ℃、名義攪拌功率為0.6 kW/kg 和攪拌時間為40 s條件下，可以制備出初生晶粒平均直徑為73.5 μm，平均圓整度為0.57 的7A04 大體積鋁合金半固態漿料。李春曉等[29]利用應變誘發熔化激活法（SIMA）制備了7075 鋁合金半固態坯料，研究了半固態加熱溫度與保溫時間對7075 鋁合金半固態坯料顯微組織及壓縮性能的影響。結果顯示等溫溫度在595 ℃、保溫30 min 時，獲得的7075 鋁合金半固態坯料的初生固相顆粒均勻、細小、圓整，抗壓強度可達426.82 MPa。趙文濤等[17]采用自制的水冷銅質蛇形通道裝置制備了半固態 7075 鋁合金漿料，當澆注溫度為680～700 ℃時，能獲得理想的半固態7075 鋁合金漿料，其初生α-Al 的平均晶粒尺寸小于41 μm，形狀因子大于0.79。

南昌大學利用自主開發的剪切低溫澆注式半固態漿料制備（LSPSF）工藝，研究制備出了高品質的半固態漿料，流變擠壓鑄造成形后，成形件T6 熱處理后的金相顯微組織及晶粒大小分布如圖1 所示，晶粒細小，沉淀相分布均勻[41]。

3.2 力學性能

Chen Gang 等[37]研究了觸變成形Al-Zn-Mg-Cu 合金的組織演變和力學性能，基于多級再加熱的觸變擠壓成形制件的抗拉強度、屈服強度和斷裂伸長率分別為510 MPa、446 MPa 和17.5%。S.R.Damadi 等[32]研究開發一種適用于同向雙螺桿流變擠壓的7×××鋁合金，以Al-14Zn-9Mg-5.2Cu 為標準成分，在固相分數為0.6 和轉速為450 r/min 條件下，流變擠壓試樣的力學性能：抗拉強度為682 MPa，屈服強度為621 MPa，伸長率為10%。國內外學者研究的Al-Zn-Mg-Cu合金半固態成形后的力學性能見表1，可以看出，采用流變擠壓鑄造成形的合金強度接近鍛件水平。

圖1 7075 合金流變擠壓鑄造制件T6 態微觀形貌Fig.1 Microstructure of T6 state of 7075 alloy by rheo squeeze casting

表1 Al-Zn-Mg-Cu合金半固態成形后的力學性能比較Tab.1 Comparison of mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after semi-solid forming

4 總結與展望

半固態成形作為低成本、低能耗的新型工藝技術，是實現Al-Zn-Mg-Cu 系高強合金近凈成形的有效途徑[44]。在微觀組織結構上仍然存在不均勻性、微觀偏析等缺陷；在微合金化和成分的設計方面研究還比較少；力學性能的穩定性和一致性還不夠，從而導致應用方面還沒有產生規模化效應，因此，仍需要對相關的基礎理論、工藝和設備進行更加深入的研究。當前需要盡快解決以下幾個問題：①合金的微合金化及合金成分的優化設計；② 熱處理工藝對應的微觀組織結構調控，從而達到綜合力學性能穩定的目標；③開發適合半固態成形的專用設備和工裝，避免工藝過程中的二次污染，提高成形件的質量和一致性。