7 系高強鋁合金變形強化工藝與組織性能關系

鄭曉靜

（核工業理化工程研究院，天津 300180）

7xxx 系（Al-Zn-Mg-Cu）超高強鋁合金，具有高比強、高韌、良好加工性、和耐腐蝕性能等優點[1]，在航空、航天、核工業等領域作為主要承力結構材料應用，伴隨著某些先進機型研制，合金由原來的高強鋁合金變為了超高強鋁合金， 需要在韌性不變的情況下，進一步提高材料強度，以適應更高應力及壽命需求。

7 系鋁合金由于強度高的特點，劇烈的變形使位錯密度提高，且這些位錯在隨后的熱處理過程中不能完全消除，產生位錯強化效應。在強化過程中，合金元素成分含量越高， 則在變形過程遇到的阻力也就越大，合理的變形溫度和合適的變形量是保障樣品不在加工過程中開裂的基礎，提高了加工合格率是一個合金能否得到工業化應用的基礎，同時，合理的變形工藝才能得到組織良好的樣品，為后續產品成型，產品使用性能實現打下基礎。本實驗通過壓力試驗機控制合金變形量，獲得合金最合理的變形溫度范圍，以及在溫度下的變形量， 用于改善最終產品的性能和組織，提高產品使用性能和使用壽命。

本次實驗合金是一種新型的超高強鋁合金，其Zn 含量超過11%，突破傳統7 系鋁合金極限，在傳統半連續鑄造工藝下，該成分合金在國內外均無相關報道，為了在實際成型過程中，為了追求更高的成型性能，需要更加充分利用該合金變形強化能力。 實驗采用壓力試驗機實現模擬合金變形工藝，變形方向是壓縮變形，實驗過程中，跟蹤合金在溫度及不同變形量下的開裂情況， 分析合金在不同溫度下組織性能變化，用于該合金在工業應用下的變形工藝確定。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗的材料為均勻化處理的半連鑄坯，化學成分如表1 所示。

1.2 試驗設備

1.2.1 壓縮試驗設備及裝具

本試驗依靠壓力試驗機實現多次墩粗。

控制變形量鋼模:鋼模為方形，不同高度的內孔放置樣品，用于控制變形量，為了便于計算，內孔外徑控制在100 mm，內孔高度為6～16 mm，高度間隔差為2 mm。

加熱爐為0～500℃高溫箱式電阻爐， 溫度偏差小于±5℃

1.2.2 試驗方法

通過DSC 及固溶熱處理試驗分析， 在研合金過燒點為475℃， 因此制定的溫度點為270～480℃，每30℃一個間隔點， 變形量設計為30%～80%， 每增加10%變形量為一組間隔點。 具體步驟如下：

（1） 試樣機加工成尺寸為Φ20 mm×20 mm 的圓柱試樣若干塊；

表1 合金成分表

（2）試樣置于加熱爐內，待溫度穩定在第一組溫度點（300℃）后，保溫30 min；

（3）壓力試驗機上夾頭升至固定高度，放入模具，試樣放入鋼模具的中心孔， 設置上夾頭移動速度，使其速度為定值（不同試驗機設置速度不同），壓下后保持10min，完成一次實驗；

（4）升起上夾頭，觀察試樣是否出現開裂現象，并拍照，同一種實驗重復至少33 次，以便于避免模擬實驗帶來的實驗誤差；若試樣有微小裂紋（1 級），則需要重復同一參數的試驗進行驗證試驗，重復驗證次數大于3 次，若試樣沒有裂紋（0 級），則開展另一組變形量實驗，直至出現嚴重裂紋；

（5）完成第一組（300℃）所有變形量實驗后，溫度升高，至下一個溫度點，重復上述保溫及不同變形量實驗，直至所有實驗結束。

1.2.3 組織分析方法

（1）金相組織觀察。

金相組織觀察在英國產ZISS 100 的金相顯微鏡上進行，試樣的制備是通過截取金相試樣，采用Keller試劑腐蝕后。

（2）透射電鏡（TEM）分析。

透射電鏡分析在EOL JEM-2010 型分析電鏡上進行，觀察時效態鍛件晶內和晶界沉淀相的析出情況。

2 試驗結果

2.1 合金變形量

從變形實驗結果可以看出，合金在≤300℃時，出現小裂紋（1 級別裂紋）的變形量臨界點是40%，出現嚴重裂紋（2 級別裂紋）的變形量臨界點是50%；當溫度進一步升高， 合金呈現出塑型先升高后下降的趨勢，合金在（410±10）℃時，開裂臨界點變形量80%，溫度繼續升高，至480℃，變形臨界點呈現明顯下降，為50%，可見此時合金的塑型也出現了明顯下降。

2.3 高倍組織

2.3.1 試樣各部位對組織影響

為了觀察試樣內外變形組織是否均勻，將試樣沿縱向剖開，觀察由內至外，由上至下的組織變化情況。從結果可以看出來，試樣心部，均表現為晶粒被拉長，呈現明顯的纖維組織，而心部左右兩邊表現為羽毛狀放射型組織，且越近邊部，放射向外延伸，晶粒尺寸就越大，而試樣上邊部及下邊部表現為晶粒破碎，完全沒有纖維組織出現，也就是說晶粒沒有被拉長。

2.3.2 變形工藝對組織影響

由于同試樣不同位置組織差異較大，評價不同變形工藝實驗時，應該選取最具有典型性的部位進行對比，本次實驗選取心部進行觀察。圖2 為典型圖片。從對比結果來看，當合金變形溫度比較低時，合金變形量小，沿著變形方向拉伸效果不明顯，未達到明顯的纖維組織，晶粒有明顯拉伸紋理，但當溫度升高，變形量達到50%時，呈現明顯的拉伸纖維組織，晶粒尺寸細小；當變形溫度進一步提高，至500℃時，晶粒尺寸變大，對其進行溫度實驗，可獲得晶粒變大臨界溫度是450℃。

圖1 不同變形量組織（200X）

圖2 不同變形工藝組織（200X）

3 合理的變形工藝制定

臨界變形量與溫度密切相關， 合金初始變形時，隨著變形量的增加，合金位錯密度也在增加，此時，合金組織呈現晶粒沿著拉伸方向被拉長、 甚至破碎，直至形成亞晶；但隨著溫度上升，合金層錯能進一步升高，合金內部發生回復再結晶，此時合金位錯密密度減小，合金變形能力提高；但當進一步提高變形溫度，該溫度一旦超過合金過燒點，此時合金組織已經嚴重破壞，出現過燒組織，導致合金的強塑性均明顯下降。對于該在研超高強鋁合金來說，其最終用途除了高強外，還有高韌性長壽命的要求，同時還需要考慮其加工性能，因此變形工藝更嚴格。通過上述實驗，綜合分析，發現當變形溫度為≤300℃時，由于溫度較低，合金的塑性差，合金極限變形量為小于40%時，通過顯微鏡下觀察，變形量為40%時無裂紋，當變形量到50%時，顯微鏡下觀察裂紋，發現主裂紋長度約為2 mm，沿著主裂紋，周邊萌生較多的次生裂紋，將這些次生裂紋放大可以發現， 這些裂紋均是沿著晶界發展而來，并沿著晶界生長，表現為明顯的沿晶斷裂模式，說明此時合金塑型較差；當溫度升高，由于受位錯效應影響，合金變形能力提高，晶粒間滑移系增多，活性增加，由于晶粒間協調性增加，提高了合金塑型，因此活性增加，該溫度臨界點是（410±10）℃，此時變形量為70%；溫度進一步提高，合金變形的活性呈現下降趨勢，至480℃，合金已經過燒，強度和塑性都顯著下降。此時合金的變形量下降到40%。

通過觀察不同變形量下不同部位顯微組織發現，變形溫度為390℃，變形量為70%，此時合金晶粒呈現明顯的纖維組織，當溫度達到420℃，晶粒尺寸反而增大，可見該溫度已經影響了合金綜合性能。綜上，合金最佳變形溫度應該盡量靠近但低于420℃。

通過以上分析， 綜合考慮實際工程應用時的波動，該合金工程應用最佳溫度建議為（400±10）℃，該溫度即可以獲得最大變形量， 保證良好的綜合性能，又可以避免晶粒長大及再結晶組織的出現，影響性能。

4 結論

（1） 試驗采用壓縮變形試驗法來測定新型高Zn含量的Al-Zn-Mg-Cu 合金的最佳變形溫度區間，試驗結果表明：合金的極限變形量為70%，極限變形溫度為420℃。

（2）試驗分析了合金在不同溫度不同變形量下組織變化情況， 工程應用時， 該合金最佳變形溫度為（400±10）℃。