7060鋁合金鑄錠第二相控制及其對氣瓶疲勞性能的影響

南 洋，王瑞東，劉揚濤，何振波*，郭奉斌

（1.沈陽中復科金壓力容器有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.航橋新材料科技（濱州）有限公司，山東 濱州 256600）

沈陽中復科金壓力容器有限公司致力于解決新材料帶來的新問題。鋁合金中Fe元素形成的脆性相及Cu元素形成的S相，降低了材料的斷裂韌性，特別在高強度的7060鋁合金中，嚴重影響了鋁合金無縫氣瓶的疲勞性能。在鋁合金鑄錠內Fe元素的含量一定的情況下，如何通過鑄錠熱處理工藝改進，制造出滿足產品安全性能要求的鋁合金無縫氣瓶是生產廠家需要解決的一個問題。

1 試驗用材

試驗用7060鋁合金鑄錠由航橋新材料科技（濱州）有限公司提供，化學成分滿足標準ISO 7866：2012《氣瓶-可重復充裝鋁合金無縫氣瓶-設計，結構和試驗》的要求，鑄棒的化學成分實測值如表1所示。

表1 實驗用7060鋁合金鑄錠化學元素

2 鋁合金鑄錠的傳統均勻化工藝研究

（1）實驗用鋁棒采用傳統工藝進行均質化退火。首批氣瓶樣品經過合理的熱處理后，進行壓力循環試驗，試驗結果不滿足標準要求，樣品瓶泄露后對鋁瓶斷口進行分析。

（2）對斷口進行SEM高倍掃描，如圖1所示，能觀察到裂紋處分布大量白色顆粒狀第二相（圖中圓圈標記）。

（3）對圖1中圓圈內1點做能譜分析，其成分結果如表2。

表2 點1主要元素含量

通過點1能譜分析結果，能夠認為裂紋處廣泛分布的第二相為Al7Cu2Fe相，故推測在合金晶界面上斷續分布的脆性金屬間化合物Al7Cu2Fe相為開裂主要原因，在變形過程中產生該相促進產生微孔聚合型沿晶斷裂。

圖1 鋁瓶斷口SEM高倍掃描

3 鑄錠均勻化熱處理工藝優化

3.1 DSC掃描

對鋁合金鑄錠進行DSC分析，由掃描結果（如圖2）可知，該合金鑄錠中在476.97℃、486.08℃及552.05℃位置出現明顯的吸熱峰，在保證鑄錠中低熔點相不過燒的前提下，在接近470℃的溫度下長時間保溫，可以保證低熔點相的完全回溶，在此基礎上進一步提高均熱溫度，可進一步減少鑄錠中未溶相的尺寸及數量。

圖2 DSC掃描結果

表3 不同工藝下進行二次均熱的鋁瓶疲勞性能對比

3.2 均勻化退火工藝的優化

通過鑄錠DSC分析結果可知，7060鑄錠中主要含有三類熔點不同的相，470℃單級均勻化可將熔點最低的相回溶，在此基礎上進行溫度更高的二次均熱，可將熔點更高的相回溶基體，從而進一步提高合金的疲勞性能。

通過以上試驗結果，擬定在原始均勻化退火工藝的基礎上進行二次均質化退火，工藝如圖3。

圖3 7060鋁棒采用的二次均熱工藝

經過二次均熱后，7060鑄錠晶界第二相變化較小，尺寸未見明顯減小，而晶內的微米級第二相明顯減少，回溶效果明顯，金相對比如圖4。

圖4 7060鑄錠二次均熱前后的金相對比

4 氣瓶疲勞性能的驗證

（1）按國際標準ISO 7866：2012《氣瓶-可重復充裝鋁合金無縫氣瓶-設計，結構和試驗》的要求設計7060材料的鋁合金無縫氣瓶，選用相同設計、同一批次生產的氣瓶進行按標準要求進行壓力循環試驗。

（2）采用相同的固溶處理工藝，不同的時效處理工藝對該批次鋁瓶進行處理，使用經過兩種工藝處理過的鑄錠，疲勞試驗次數對比如表3。

疲勞試驗過程中，粗大第二相會對合金的疲勞性能產生較大影響，從金相結果可知，二次均熱后，合金晶內微米級尺寸較大第二相已全部回溶，從而減少了在試驗過程中因該類第二相的存在而產生應力集中現象。同時隨著合金時效程度的增加，有利于疲勞性能的進一步提升。合金經三級時效制度處理后，晶內析出相析出均勻、彌散且析出相尺寸更為細小，使得合金性能均勻，有利于疲勞性能的進一步提升。

5 結論

（1）7060鋁合金鑄棒內含有大量的第二相，會導致產品脆性增大，對氣瓶的疲勞性能有害。

（2）采用475℃的長時間二次均熱后，7060鋁合金晶界大尺寸相變化不明顯，但晶內微米級析出相全部回溶，有利于氣瓶疲勞性能的改善，同時采用三級時效制度，可進一步提高氣瓶的疲勞性能。