微量Zr元素對Al-Zn-Mg-Cu合金陽極化效果的影響

王瑞雪，羅 陽，汪 磊

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

Al-Zn-Mg-Cu系合金屬高強、硬鋁合金，由于具有優異的比強度和良好的力學性能，因而在航空、航天、船舶工業中得到廣泛的應用，尤其是應用到民用飛機的重要結構材料中[1-3]。由于一些使用環境的特殊性，特別是常年在沿海或海洋環境下使用的飛機、輪船等，不可避免地會發生各種形式的腐蝕[4]，因此需要對航空、航海用鋁合金產品表面進行防腐處理。

但是，隨著人們對生活品質的要求越來越高，現有鋁合金產品表面簡單的防腐處理已經無法滿足人們日益增長的品質生活需求。因此，這就要求材料在滿足基本使用條件下，也必須滿足人們對于產品外觀品質的要求。

為了使Al-Zn-Mg-Cu 合金厚板獲得較好的外觀形貌，本文在Al-Zn-Mg-Cu 合金基礎上添加了微量的Zr 元素，通過對比兩種合金成分試樣成品的力學性能、顯微組織及陽極氧化效果，確定了微量Zr 元素對Al-Zn-Mg-Cu 合金產品表面處理的影響，并提出改善方法。

1 試驗過程

試驗原料包括純鋁（99.9%+99.7%）、純鋅（99.9%）、純鎂（99.9%）、純銅（99.9%）、Al-Cu、Al-Cr、Al-B 等中間合金、鋁鈦硼絲細化劑、7075 合金一級廢料和7050 合金一級廢料，主要成分配料見表1。鑄錠經大生產加熱爐熔煉、精煉、過濾，澆注成型，鑄造溫度控制在700～740 ℃。鑄錠均熱工藝為460～470 ℃/28～40 h。均熱后對鑄錠進行常規切頭尾、高低倍檢測和銑面處理。

表1 合金成分配比（質量分數/%）

板材生產工藝路線為：鑄錠加熱→軋制→固溶處理→預拉伸→時效處理→樣品鋸切→性能、陽極氧化檢測。

用島津AGS-X-100 KN電子萬能材料試驗機進行力學性能測試，拉伸速率為15～25 mm/min，拉伸試驗方法按GB/T 228.1-2010 標準執行，每組測試3個試樣，取平均值作為試驗結果。

用萊卡金相顯微鏡觀察合金偏光組織，用數碼顯微鏡觀察試樣成品縱截面陽極氧化形貌。試樣陽極氧化工藝主要參數見表2。

表2 陽極氧化工序主要參數

2 試驗結果

2.1 合金的力學性能

1#、2#試樣T6 狀態下的力學性能檢測結果列于表3。從表3 可以看出，兩種不同成分合金試樣的強度及延伸率相差不大，且屈服及抗拉強度均高于標準值30 MPa 左右，延伸率高于標準值7%左右。比較兩種合金T6 狀態力學性能可知，添加0.02%Zr 后，合金強度和延伸率并無明顯變化。由此可見，對于Al-Zn-Mg-Cu 合金板材來說，Zr 元素的添加對其力學性能影響不大。

表3 1#、2#試樣T6狀態力學性能

2.2 合金陽極氧化效果

1#、2#試樣T6狀態縱截面陽極氧化效果如圖1所示。由圖1 可以看出，1#試樣厚度截面色澤明亮，且陽極氧化效果均勻；2#試樣厚度截面出現明、暗相間色差帶，陽極氧化效果不均勻。比較兩種合金T6 狀態陽極氧化效果可知，1#試樣陽極氧化效果明顯優于2#試樣。

圖1 樣品典型陽極氧化形貌

圖2 樣品典型顯微組織形貌

2.3 合金顯微組織

1#、2#試樣T6狀態縱截面顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可以看出，1#試樣厚度截面呈再結晶組織形貌，且不同厚度位置晶粒組織相差不大，整個厚度截面組織相對均勻；2#試樣厚度截面出現變形組織與再結晶組織混合現象，氧化發亮區域為粗大再結晶組織形貌，氧化發暗區域為變形組織形貌。比較兩種合金T6 狀態縱截面顯微組織形貌可知，Zr 元素的添加會使Al-Zn-Mg-Cu 合金再結晶溫度提高，抑制再結晶組織產生，導致軋制過程更容易出現變形組織形貌。但由于Zr 元素分布不均勻，即未能充分發揮Zr 元素的作用，使得整個厚度截面陽極氧化均勻性效果變差。

3 分析與討論

相關研究資料表明，由于Zr 元素的添加，在合金均勻化過程中會析出與基體共格的亞穩Al3Zr相[5]。經后續固溶處理時，Al3Zr相會對合金晶界起到一定的釘扎作用，阻止晶界和亞晶界的遷移，同時保留軋制變形產生的亞結構和位錯，因此對鋁合金細化晶粒、強化基體有著重要意義[6，7]。

但對于本次試驗來說，Zr元素的作用不僅僅是優化Al-Zn-Mg-Cu 合金性能，更重要的是在潛在的其它復雜第二相影響未知的情形下，充分提高Al3Zr 粒子的彌散分布，以實現鑄錠后續熱加工及熱處理過程中不發生或少發生再結晶長大，獲得均勻一致的變形組織，從而使成品獲得較好的陽極氧化效果。

通過對試樣厚度截面陽極氧化形貌及顯微組織觀察可知，2#（Al-Zn-Mg-Cu-Zr）試樣成品厚度截面組織不均勻，呈現異常粗大再結晶組織與變形組織相混合的狀態，這與Al3Zr 粒子的彌散分布程度不均勻有關。

因此，綜合分析可知，為了獲得均勻分布的Al3Zr 粒子，可采用雙級均勻化熱處理制度對其進行改善。其中，第一級熱處理屬于較低溫度的熱處理，以促使Al3Zr 粒子形核為主要目的，伴隨著部分粒子長大；第二級熱處理屬于較高溫度熱處理，以促使金屬晶粒內部合金元素均勻分布、且較少偏析為主，同時伴隨有部分Al3Zr 粒子形核長大，為后續獲得均勻一致的變形組織做準備。

4 結論

（1）添加微量的Zr 可以明顯抑制Al-Zn-Mg-Cu 鋁合金的再結晶程度，但由于Al3Zr 粒子的彌散分布程度不均勻，導致合金整個厚度截面組織不均勻，并最終影響板材成品的陽極氧化效果。

（2）解決Al-Zn-Mg-Cu-Zr 鋁合金厚板截面“色差”缺陷的關鍵是優化均熱工藝，將單級均熱改為雙級均熱。