7175合金鑄錠均勻化工藝研究

張芯華

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7175 合金為Al-Zn-Mg-Cu 系高強鋁合金，合金具有密度小、強度高、加工性能好等優(yōu)點，被廣泛應用于航空工業(yè)及民用工業(yè)等領域[1-2]。由于它合金化元素含量高，在半連續(xù)鑄造過程中容易形成大量的非平衡共晶組織，需要進行均勻化熱處理，使合金非平衡共晶相盡可能溶入基體，最大限度地減少基體中殘留的第二相，并且消除鑄錠的微觀偏析[3]。因此，鑄錠的均勻化處理是該合金能否獲得理想組織、工藝性能、使用性能的重要環(huán)節(jié)。本文重點研究均勻化工藝即均勻化溫度及時間對合金組織的影響，尤其是對未溶粗大相的影響。

1 試驗方法

采用純度為99.95%和99.70%的原鋁錠、純鋅、純鎂、純銅、鋁鉻中間合金配料，Al5Ti1B 為晶粒細化劑。熔煉溫度為730 ℃～760 ℃，精煉溫度為730 ℃～750 ℃，鑄造溫度為690 ℃～710 ℃，將熔體澆鑄于鐵模中獲得300 mm×120 mm×80 mm的7175鋁合金方錠，其化學成分見表1。

表1 7175合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

采用光學金相（OM）、掃描電鏡（SEM）、差示掃描量熱（DSC）等方法對合金鑄態(tài)和不同制度的均勻化狀態(tài)的試樣中的殘留相含量、殘留相成分組成、彌散相析出密度等進行分析。綜合分析結(jié)果，確定7175合金方鑄錠的均勻化熱處理制度。

通過差示掃描量熱（DSC）檢測發(fā)現(xiàn)該鋁合金鑄態(tài)微觀組織中非平衡共晶熔化溫度為477 ℃，采用的均勻化制度如表2所示。

表2 均勻化制度

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織分析

對7175合金鑄錠進行鑄態(tài)組織分析，圖1為金相組織圖片。從圖中可以看出，晶界處富集大量結(jié)晶相，合金晶粒尺寸相對均勻，平均晶粒尺寸約為153 μm。

圖2為鑄態(tài)合金SEM掃描組織，從圖中看出它與鑄態(tài)金相組織一致，晶界處偏聚大量結(jié)晶相，晶內(nèi)結(jié)晶相較少。鑄態(tài)合金SEM背散射模式下組織中主要存在兩種明顯的成分襯度，通過EDS能譜分析結(jié)晶相主要為T相（AlZnMgCu相）與Al7Cu2Fe相（見表3）。

表3 EDS能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)/%）

如圖3 所示，通過對鑄態(tài)合金進行DSC 熱分析，發(fā)現(xiàn)在476.98 ℃附近存在明顯熔化吸熱峰，即對應為低熔點共晶相熔化溫度為476.98 ℃。結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)均熱爐溫度控制條件，選取460 ℃～470 ℃為合金均勻化溫度，設計均勻化工藝進行試驗（見表2）。

圖3 鑄態(tài)合金DSC曲線

2.2 均勻化對鑄態(tài)合金結(jié)晶相影響

不同單級均勻化處理后合金的SEM 組織照片（見圖4），晶界處富集大量結(jié)晶相回溶基體。通過Iamge-Pro-Plus 軟件分別統(tǒng)計不同工藝條件下的第二相面積分數(shù)平均值（5張200倍），得出在470 ℃保溫12 h、24 h和36 h后，合金中殘留第二相面積分數(shù)分別為1.23%、0.988%和0.984%，保溫24 h后合金中殘留第二相含量基本保持不變；在460 ℃保溫40 h 后，合金中殘留第二相面積分數(shù)為1.12%，略高于470 ℃/24 h、470 ℃/36 h均勻化處理后合金中的殘留量。

圖4 不同單級均勻化處理后合金SEM組織照片

圖5為不同單級均勻化處理后合金DSC熱分析結(jié)果，合金在476.98 ℃處吸熱峰消失，說明合金中非平衡共晶相T（AlZnMgCu）相大幅減少，但在502.67 ℃處出現(xiàn)了較小峰面積吸熱峰。

圖5 不同單級均勻化處理后合金DSC結(jié)果

均勻化處理后合金中T相大部分回溶，少部分轉(zhuǎn)變?yōu)锳12CuMg 相。圖6 為合金在470 ℃/24 h 與470 ℃/36 h均勻化處理后殘留相SEM，存在兩種明顯成分襯度，通過EDS能譜分析（見表4），發(fā)現(xiàn)合金中殘留第二相主要是Al7Cu2Fe相與S（Al2CuMg）相。

圖6 均勻化后合金殘留相

表4 殘留相EDS能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)/%）

2.3 均勻化對彌散相的影響

通過場發(fā)射SEM 背散射模式，觀察460 ℃/40 h、470 ℃/24 h、425 ℃/5 h+470 ℃/24 h 和450 ℃/5 h+470 ℃/24 h均勻化后水冷樣品。

從圖7 中可以看出，4 種均勻化處理后，合金中均有細小彌散的E（Al12Mg2Cr或Al18Mg3Cr2）相析出，合金中彌散析出相數(shù)密度如表5 所示。經(jīng)460 ℃/40 h均勻化工藝處理，析出相數(shù)密度相對稀疏，而且顆粒尺寸較大，470 ℃/24 h處理的樣品中彌散析出相顆粒數(shù)密度有所提高，達到9.37個·μm-2，顆粒尺寸較小。相比單級均勻化工藝，兩種雙級均勻化工藝處理的樣品析出相數(shù)密度大幅度提高，顆粒尺寸更細小，其中450 ℃/5 h+470 ℃/24 h雙級均勻化處理，析出相特征相對更加優(yōu)異，顆粒數(shù)密度能達到22.96個·μm-2。

圖7 不同均勻化處理后合金中彌散相特征

表5 不同均勻化工藝處理后合金中彌散析出相數(shù)密度

3 結(jié)論

（1）鑄錠中結(jié)晶相主要為T 相（AlZnMgCu）與Al7Cu2Fe相，大量分布在晶界處，而晶內(nèi)較少。

（2）采用470 ℃保溫24 h 以上，合金中低熔點非平衡共晶相已經(jīng)充分回溶。

（3）采用450 ℃/5 h+470 ℃/24 h工藝對鑄態(tài)合金進行均勻化處理，不但能夠消除鑄態(tài)低熔點非平衡共晶相，而且可以有效促進微量元素Cr 以彌散相形式均勻析出。