1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究.pdf

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1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究1 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究2 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究3 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究4 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究5 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究6 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究7 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究8
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 56   材料工程/2010年5期    1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究   —       MicrostructureofAscastandHomogenized1973AluminumAlloy      王正安,汪明朴,杨文超,张   茜,盛晓菲,李 周   (1中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;   2中南大学教育部有色金属材料科学与工程实验室,长沙410083)  —     —   —  WANGZhengan,WANGMingpu,YANGWenchao,   —   ZHANGQian,SHENGXiaofei,LIZhou            (1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,            China;2KeyLaboratoryofNonferrousMetalMaterialsScienceandEngineering,       MinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)          摘要:采用光学金相显微镜、扫描电镜、x射线、DSC等分析手段研究了1973高强铝合金铸态和均匀化态的显微组织和                 成分分布。结果表明:合金铸态组织为枝晶结构,主要存在a~A1,MgZn(相)和AICuMg(S相),还存在少量的A1。                 (FeCu)相。其中MgZnz相中固溶部分Al原子和Cu原子,A1CuMg相中固溶分布Zn原子。该合金合适的均匀化处 ℃         理工艺为470/24h。均匀化后,原铸态合金中的MgZnz(r/相)和A1CuMg(S相)回溶到基体,仅残留少量A1。(FeCu)         相和A1CuzFe相,晶内析出大量弥散分布的球形A1。粒子。 —    关键词:A1一Zn-MgCu合金;均匀化;显微组织 中图分类号:TG113.12  文献标识码:A ——— 文章编号:10014381(2010)05005608        —       Abstract:Themicrostructureandthecompositiondistributionofascastandhomogenized1973alloy         —    werestudiedbymeansofopticalmicrograph,scanningelectronmicrograph,Xraydiffractometryand  —           DSC.Theascastmierostructureandthehomogenizingtemperaturesofthealloyweredetermined.     —        —  Theresultsshowthattheascastmicrostructureisdendritestructure.ItmainlyconsistsofaA1,Mg~             Zn2(1)phaseandAI2CuMg(S)phase,andA113(FeCu)4phaseswerealsoobserved.The1phase            (MgZn2)dissolvesaluminumandcopper,andA12CuMgphaseshowssolubilityofzinc.Theproper               — homogenizingprocessofthisalloyisat470 ̄Cfor24h.Afterhomogenization,1phaseandSphasedis                    solvealmostintothematrix,leavingasmallamountA113(FeCu)4phaseandAI7Cu2Fephasesonly.A              largenumberofA13Zrphaseswithsphericshapewerealsoobserved,dispersinginsidegrains. — —   Keywords:A1一ZnMgCualloy;homogenization;microstructure  1973高纯铝合金挤压厚板/型材是某型号机所需   的关键承力结构材料,主要用于飞机的机翼整体结构 油箱。该材料也是国外新一代飞机的重要结构材料之一,         它具有优良的力学性能、疲劳断裂韧性和冷加工成   形性能,是制造具有优异综合性能的航空用宽厚板的  先进铝合金材料。与传统的国产高强高纯7A09铝合  金相比,在保持高强度的前提下1973合金断裂韧性要        高1O~15、裂纹试样冲击功要高0.5~1倍、剩余强          度要高25~30、抗疲劳裂纹扩展约低2O~40。 —— 1973合金属于可热处理强化AlZnMg~Cu系铝    合金,采用半连续水冷铸锭时,由于合金凝固速度过    快,合金化元素在铸锭中不可避免地会存在偏离平衡    状态的组织,即所谓的枝晶偏析和较多的非平衡共晶   组织,这种成分和组织的不均匀性将使合金在热加工               过程中容易发生过烧,热加工塑性明显降低并形成带          状组织,有时还会产生热加工开裂现象,并增加了合金                 的各向异性和腐蚀敏感性_1]。而通过均匀化处理,   可以消除这种成分和组织的不均匀性,降低铸锭热加      工过程中的流变应力,改善铸锭的热塑性]。在目—— 前报道的研究文献中[2,s-8],A1一ZnMgCu系铝合金铸    锭主要存在四种类型的第二相:a-A1相、71-MgZn相、— —  — TAl2Zn3Mg3相和SA12CuMg相。Mondal和Muk    hopadhuay[911]等在7055合金的铸锭中还发现存在—   ℃     eAlCu相,在450均匀化35h后T】~MgZn相和0一   A1。Cu相基本回溶到基体当中,剩下第二相为S相和       富Cu的T相;而Xiel1等在研究7050合金中,发现 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究 59    表2实验合金铸态组织中金属间化合物的化学成分(原子分数/%)           —  Table2Chemicalcompositionsofintermetalliccompoundsinexperimentalloyascast(atomfraction/%)   相,这在一些文献中也有过报道【1。晶界上还存在一    些呈板状分布的粗大相,经能谱分析为应该含Fe的         Al。Fe相,但由于其中固溶了4.92%的Cu,因此同     样也可以将其表示为A1。(FeCu)扩展相。因为这种      含Fe相在铸态合金中含量较少,在x射线中并不能 发现其衍射峰。     由此可见,铸态合金中存在大量的Mg(A1,Zn,             Cu)。相和A1zCuMg相,在晶内和晶界处均存在严重               的成分偏析和区域偏析,因此在热加工前必须进行均        匀化退火,以消除组织的不均匀性。      2.2铸态合金的DSC分析            图5所示为铸态合金在差热分析仪上测得的      DSC分析曲线,图6为合金中两种低熔点共晶相的平    衡相图。 Temperature/oC    图5铸态合金的DSC曲线分析      —  Fig.5DSCanalysiscurvesofascastalloys         ℃  由图5可以看出,铸态合金在474.2,491.8和℃   636.8有吸热峰,前两个峰对应于合金中两个低熔点     共晶相,后一个峰对应于合金的溶化温度。由铸态的    ℃ 扫描电镜能谱分析(图4和表2)可知,474.2对应于  —        合金中aAl+Mg(Al,Zn,Cu)。非平衡共晶相,℃   —    491.8对应于合金中aAl+A1CuMg非平衡共晶   相。为了防止合金过烧,合金在随后均匀化处理的温  ℃  度不能超过474.2。          2.3均匀化态合金显微组织及其成分分析   图6是铸态合金经过不同温度均匀化后,合金的    金相显微组织照片和扫描电镜背散射电子像。由图6      可以明显看出,经均匀化后,合金晶粒组织明显长大,   从铸态组织的150/ ̄m左右长大到400tLm左右。合金  ℃ 中晶内和晶界处的偏析明显减少。合金经过450保    温24h处理后,晶界上非平衡低熔点共晶相逐渐溶     解,枝晶网络已经变稀,残留相逐渐减少;合金经过℃     460保温24h后,晶界已十分细小,枝晶偏析和非  ℃  平衡相基本消除;而合金经过470均匀化保温24h  后,合金中残留的非平衡低熔点共晶相已基本完全消     除,仅剩下一些均匀化处理而无法消除的含Fe相。               ℃ 而由图6(e)的金相组织照片可以看出,经过470/    24h均匀化处理后,合金组织并没有发生明显的过烧   现象。   采用DSC差热分析实验,对不同温度均匀化后的   合金组织进行分析,如图7所示。可以看出,随着均匀              化温度的升高,合金中非平衡共晶组织的熔化峰面积    逐渐减小,非平衡共晶组织溶解程度逐渐增大。合金  ℃      经过450均匀化24h,还可以看到Mg(Al,Zn,Cu)2     扩展相和AlCuMg相的熔化峰,但峰的面积相较于    ℃    铸态合金已经减小;而经过460退火24h后,Mg              (A1,Zn,Cu)扩展相的熔化峰已基本消失,说明Mg     (A1,Zn,Cu)扩展相基本已经回溶到基体当中,但还      ℃  存在少量的A1CuMg相;经过470退火24h,Mg          (Al,Zn,Cu)扩展相和A1。CuMg相的熔化峰基本上             ℃ 已经看不到,这说明这两种非平衡共晶相在470均    匀化处理后,确实都已经基本消除。     将经过不同温度均匀化后的合金进行扫描电镜     BSE像观察和EDS能谱分析如图8和表3所示。可  ℃   以看出,合金在经过450均匀化后,晶内呈白色棒状     分布的Mg(A1,Zn,Cu)扩展相基本都已经回溶到基     体中,但晶界处仍残留一些少量的Mg(A1,Zn,Cu)。    — 扩展相。Fan等_】在研究A1一ZnMg-Cu系铝合金的  均匀化处理过程中发现,大部分的T}一Mg(A1,Zn,Cu)。                   扩展相溶解到基体当中,还有少量一部分转变成S_      A1。CuMg相,并分析了T】相一S相的转变机制,同时              在S相的长大和粗化过程中,伴随着S相的溶解,即S   相的含量逐渐降低。450 ̄C均匀化处理后,晶界处主要      分布的是灰色AlCuMg相,但在晶内还可以看到部       分Al。(FeCu)扩展相和一种新的含Fe相,经EDS        分析为AlCuFe相(图8(a),(b)),这种AlCu2Fe相      较于灰色的A1。(FeCu)扩展相呈灰白色分布,并且 62   材料工程/2010年5期  过程中应采取措施使非平衡共晶化合物充分溶解,而   溶解的关键又取决于原子的扩散,这就要求给原子提 供足够的扩散动力和扩散时间。  从铸态合金X射线分析中可知铸态合金中主要     含有三种相:A1,MgZn相和A1CuMg相,分析x射  — 线图谱(图3),通过绝热法来计算铸态合金的A1,Mg     Zn。相和AI。CuMg相的含量。以A1为内标物质,根 据  —  Wx一 (1)  KxE      式中:w表示x相被测试样中的质量分数;b表示       第X相的衍射相强度;A表示N个相中被选定为内   标相的物相名称,其中:   K一      根据PDF卡片,可知:  ⅢK会}o。一4.3KAMJg2Zon; …     ̄一3.43,KA12cu3M一3.17  根据Jade软件测量计算得: IAI:57065(111),IMgZn。:   1300(z01),IAlcuMg=585(11z) K 一  _0.8 74   1一    拓5・6(4) w — — — — — 一 —  2_T一  一2.72%   Kz 十 + ) (5)   同理计算可得: WAl。    —   cMg一1一WAlWMgz。: 1.59 (6)   由此可见,铸态合金中,Al的含量大约为95.69             (质量分数,下同),MgZn相的含量约为2.72,        A1CuMg相的含量约为1.59。合金成分中的Mg       +zn总和大约在8左右,而铸态合金中MgZn相含        量只有2.72左右,说明铸态合金中还有大量的Mg    和zn原子固溶在基体当中,基体处于高能的过饱和  状态,有析出平衡第二相的趋势,并且合金在快速冷凝     过程中铸锭内部形成了很强的内应力,使合金的压力  加工性能变差。因此,在压力加工前铸态高强铝合金   必须经过均匀化处理,以消除枝晶偏析,使初生的非平    衡共晶溶解,提高合金元素在基体中的固溶度,均匀组   织,降低内应力,从而提高合金的热塑性。 而均匀化退火制度主要参数是加热温度和保温时  间。根据菲克第一定理:单位时间内通过单位面积扩   散物质的量与垂直该截面方向物质的浓度梯度成正  比,即   J=一D (7) {Ix  式中:.,为单位时间内通过单位面积扩散物质的量;D   为扩散系数,与合金的本质、固溶体类型、成分、晶粒尺  寸、温度有关。根据均匀化理论,合金元素在固溶体中   的扩散系数与温度的关系可用式(8)表示: —  DDoexp(一 ) (8)    式中:D。为常数;Q为扩散激活能;R为气体常数;T  为均匀化热力学温度。式(8)表明,温度稍有升高将使 扩散过程明显加速。而非平衡共晶相在固溶体中的溶  解时问又与其尺寸、均匀化温度及合金成分有关:  ::= (9)                式中:a和b为随均匀化温度及合金成分而改变的系              数;为共晶相的平均厚度。由此可见,为了达到充分 均匀化的目的,在尽可能提高均匀化退火温度的同时,         应视温度高低选取恰当的保温时间。  在不同温度的均匀化条件下,加热温度较低,合金   元素扩散系数低,金属间化合物溶解速度较慢。在均   匀化过程中,对低熔点共晶来说,在保温前期已经大量               溶解,延长保温时间,溶解量有所增加但效果不大;对    高熔点共晶来说,尚未达到其溶解温度,基扩不溶  解,且部分低熔点共晶在均匀化过程中逐步转化为高  熔点共晶,由此必然会造成较多的残留共晶。因此,要  想充分均匀化,只有进一步提高均匀化温度。      ℃     在本研究合金中,通过450均匀化,MgZn相和    A1zCuMg相均减少,而低熔点共晶相MgZn。的溶解      速度相较高熔点共晶相AI。CuMg相,其溶解速度也  ℃        较快。通过460均匀化后,可以看到MgZn相完全     回溶到基体当中,但A1CuMg相还有少量残余。经 ℃     过470均匀化后,两种非平衡共晶相均已全部回溶   到基体当中,仅剩下两种不同种类的含Fe相无法消                除;并且在低于合金低熔点共晶相溶化温度474.2"C    的前提下,合金组织并没有发生明显的过烧现象,所℃  以,470/24h可作为本实验合金最佳的均匀化制度。 ℃   1973铝合金在经过470均匀化24h后,晶内均     匀存在大量弥散分布的A1。Zr粒子,这些Al。Zr粒子 与位错之间紧密的交互作用对合金的再结晶有非常好      的抑制作用,使合金中亚晶数量增多。弥散的Al。Zr   质点尺寸小,密集度很高,对位错的滑移和攀沿以及晶               界的移动具有很强的钉扎作用,可以稳定变形组织的  亚结构,阻碍加热时位错重新排列成亚晶界及随后发          展成大角度晶界的过程,从而阻碍了再结晶的形核。 1973铝合金铸态组织及均匀化退火组织研究 63   4结论   — (1)1973铝合金铸态组织主要存在aA1,MgZn2      (Tl相)和A1CuMg(S相),还存在少量的A1。(FeCu)    相;铸态组织成分分布不均匀,存在严重的枝晶偏析,   其元素偏析程度Cu>Mg>Zn;非平衡共晶相在晶界     处呈连续网状分布;MgZn(T】相)固溶了一定的Al原         子和Zn原子,而A1。CuMg(S相)固溶了少量的Zn原   子。MgZnz(T】相)和A1CuMg(S相)两种低熔点共晶      ℃ ℃  对应的溶化温度分别为474.2和491.8。  (2)1973铝合金均匀化过程中随着均匀化温度     的升高,粗大的MgZn。(Tl相)和A1CuMg(S相)逐渐          回溶到基体,仅残留少量难溶的A1。(FeCu)相和        A1CuFe相。晶内析出大量弥散分布的圆形Al。zr  颗粒。   ℃ (3)1973铝合金的最佳均匀化工艺为470/24h。 参考文献        [1]王洪,付高峰,孙继红,等.超高强铝合金研究进展[J].材料导报, —  2006,20(2):5860.         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一夕落阳
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