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工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

2019年07月05日 08:37:09 中国有色金属报

  2018年12月26日,为进一步做好重点新材料首批次应用保险补偿试点工作,工信部发布了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2018年版)》的通告。通告表示,该目录自发布之日起实施,原《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》(工信部原(2017)(68号)同时废止。

  列入示范目录的8种铝材是:7050合金大规格预拉伸厚板、7B50合金大规模预拉伸板、含Sc铝合金加工材、航空支撑骨架用型材、耐损伤铝合金预拉伸板、高性能车用铝合金薄板、Al-Si-Sc焊丝、铝-锂合金焊丝。

  此外,在目录中还收录了2种镁材、8种钛材、2种铜材,多种有色金属复合材料、高温合金及有色金属新材料。

  7050合金

  7050合金是一种美国合金,1971年在美国铝业协会公司注册,注册成分(质量%):0.12Si、0.15Fe、2.0Cu~2.6Cu、0.10Mn、1.9Mg~2.6Mg、0.04Cr、5.7Zn~6.7Zn、0.06Ti、0.08Zr~0.15Zr,其他杂质单个0.05、总计0.15,其余为Al。它是一种第三代Al-Zn-Mg-Cu系合金,中国标准GB/T 3190已将此合金纳入,所以它既是一种广为应用的国际合金,也是一种纳入中国国家标准的合金。

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

  7050合金是一种Al-Zn-Mg-Cu系的高强度可热处理强化的变形铝合金,又称超硬铝,可生产厚板、型材、锻件和线材等,不用于轧制薄板。与第一个该系合金7075的成分比较,增加了锌、铜含量,增大了锌镁比,并用锆取代铬作为晶粒细化剂,增加了锌、铜含量,增大了锌镁比,并用锆取代铬作为晶粒细化剂,而大大减少了铁、硅含量。由于这些成分的改进以及采用过时效处理,使7050合金在保持较高强度水平下,具有韧性好、疲劳强度高与淬火敏感性低特点。

  成分的优化与组织

  7050合金是在铝-锌-镁系合金的基础上发展起来的。要提高合金的强度,只有提高锌和镁的浓度,但Zn+Mg的含量≥(8~9)%以后,强度虽然可以提高到600N/mm2以上,而塑性和抗应力腐蚀性能却强烈下降,失去了使用价值。后来发现铜能有效改善高浓度铝-锌-镁合金的塑性和抗蚀性,特别是铬能显著提高抗应力腐蚀性能以后,铝-锌-镁-铜系合金才得到发展,也为7050合金的诞生创造了条件。

  由Al-Zn-Mg-Cu系相图可知,工业用此类合金的主要相组成为α+η(MgZn2)+T(Al2Mg3Zn3)+S(Al2CuMg),但因Cu含量不同而稍有变化。当含(5%~7%)Zn和(1%~3%)Mg时,若Cu>0.7%即会出现S相,Cu>2%还会出现θ相。但超硬铝的主要强化相是η相。η相在470℃的最大溶解度可达28%,而室温时仅4%,所以有极高的时效强化作用。

  Al-Zn-Mg-Cu系合金的时效过程与Al-Zn-Mg合金的一样,也是:GB区→η'→η→T相,但在100℃~160℃时效,只发生η相的沉淀过程,只有当Ta(时效温度)>270℃后才能出现η→T的沉淀过程。这是因为Zn的扩散系数比Mg的高,低温时效只能发生富Zn相MgZn2的沉淀过程,高温时效才能发生富Mg相T的沉淀过程。

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

  超硬铝的含Cu>0.7%后,在125℃~150℃时效,可以认为是在Al-Zn-Mg系沉淀过程(GP区→η'→η→T)的基础上,又出现了Al-Cu-Mg系的沉淀过程(GP区→S'→S)。

  超硬铝的显微组织随着温度的升高而向更高的时效阶段发展,即GBP(晶界沉淀相)和MPT(基体沉淀相)变粗,PFZ(晶间无沉淀带)变宽。这种过时效组织对抗应力腐蚀和断裂韧性有利,但却使强度性能降低15%~20%。

  Mn、Cr、Zr、Ti对超硬铝的影响与对Al-Zn-Mg合金一样,也是为了改善加工塑性和抗蚀性。Zn+Mg含量≥9%的合金,在淬火和时效后有严重的沿晶脆性断裂现象,伸长率很低。加入上述微量元素后,由于形成了不易被位错切割的化合物AlMgMn、Al(FeMn)Si、Al12Cr2Mg、Al20Cu2Mn、Al3Zr,并且改变了GB区、η'和η相的性质、尺寸和分布状态,因而改变了位错的运动方式,位错分布也均匀,不会在晶界形成应力高度集中点,结果改善了塑性和SCR。Mn和Cr能增加超硬铝的淬火敏感性,Cr的影响比Mn的还大,必须用高的淬火冷却速度才能保证时效后强度,但厚板和大型锻件即使采用高速淬火也淬不透,而且会产生严重的变形。因此,7050合金不含Mn和Cr,而且微量Zr(0.08%~0.25%)作为再结晶抑制剂,可在热水中淬火,不仅能降低淬火应力,而且大截面的厚板和锻件能获得高的强度,因为Zr能形成微细的不溶解质点Al3Zr,对淬火敏感性影响,Mn和Cr则不同,能同主要元素形成粗大的Al12CrMg2、Al26Cu2Mn化合物,不仅降低了Cu和Mg在α固溶体中的过饱和度,而且在淬火冷却过程中或时效初期还能沿这些质点析出粗大的η'或η相,使合金强度大幅降低。

  7050合金是一种高纯度合金,≤0.12%Si、≤0.15%Fe、≤0.10%Mn、Fe和Si不仅对强度和抗蚀性有害,还能同Mn和Cu形成有害于平面应变断裂韧度KIC的夹杂相Al7Cu2Fe、Al17Cu2(FeMn)2、Al6(FeMn)和Al(FeMn)等,这就保证了7050合金有高的塑性和平面应变断裂韧度、强度,而且有低的淬火敏感性,成为一种综合性能最佳的航空航天厚板与锻件铝合金。

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

  热处理与物理化学性能

  7050合金锻件的固溶处理温度468℃~474℃,在54℃~66℃温水中淬火(按Q/6SZ925);厚板固溶处理温度471℃~482℃,在室温凉水中淬火,转移时间≤15S,最好在辊底式炉内固溶炉内处理,人工时效制度见表1。

  厚板在固溶处理后与时效处理前应进行预拉伸变形,因是在下一道工序(时效处理)之前进行故称预拉伸,其永久变形量为1.5%~3%,以消除其中的淬火内应力。对于自由锻件(T7452)在固溶处理后时效处理前可进行压缩变形,其永久变形量为1%~3%,以消除内应力。

  淬火内应力如不消除,在锯切、铣削加工等机械加工时,板材会发生严重变形或甚致断裂,另外残余应力虽对材料拉伸性能的影响很小,但对应力腐蚀开裂、疲劳特性及断裂韧度有明显影响。消除或减轻残余应力可用加热法与机械法,前者是采用单独加热或与热处理同时进行如退火等,后者为拉伸、压缩、喷丸等。这些方法都得到了应用。

  对7075、7050合金厚板用拉伸消除残余应力时,永久变形量达到0.5%,可消除75%~80%的残余应力,再增加拉伸量,残余应力的下降非常缓慢,即使永久变形量达到3.5%,板中仍保留着约4.5%的残余应力,故拉伸变形量定为1%~3%,实际生产中的永久拉伸变形量大都在2%左右。中国供应的7050合金半成品的状态与规格见表2。

  7050合金可用传统的铝合金熔炼与铸造设备,但熔炼时不要混入杂质,因为它的纯度相当高。它的熔化温度为488℃~630℃,铸造温度700℃~730℃,铸锭尺寸较小时铸造温度可适当降低。25℃时7050-T7651合金的热导率154W/(m·℃),7050-T74、-T7452、-T7451合金的157W/(m·℃);在100℃时7050合金的比热容963J/(kg·C)。

  7050合金的密度2.82g/cm3;室温时的电阻率40.9nΩ·m;7050-T7651材料的电导率≥21.5Ms/m,-T74、-T7452、-T7451材料的≥22.0Ms/m;7050合金无磁性。

  7050合金有良好的抗氧化性能,但抗一般腐蚀的性能还不如7075合金的,不过却具有相当强的抗剥落腐蚀和应力腐蚀性能,C形试样的应力腐蚀试验结果见表3。

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

  力学性能

  技术标准规定的7050合金力学性能见表3~4,材料的断裂韧性见表5~6,其他力学性能可查阅有关手册。

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

工信部8种重点发展新铝材(一)话说7050合金的组织性能与生产应用

  7050-T74合金厚50mm~60mm的模锻件S-L方向试样的应力腐蚀断裂韧度为22.2(N/mm2)·√m,疲劳裂纹扩张速率(da/dt)为3.68×10-8m·/s。

  组织结构、工艺性能与应用

  7050合金基本相组成为α-Al和MgZn2,次要的相为Al3Zr、Al7Cu2Fe、Mg2Si和Al13CuMg4等。Al3Zr呈弥散球形状,一般以亚稳态形式存在,具有体心立方晶格,只有长时间高温退火,才会形成稳态的密集六方晶格。

  7050合金的形成性能与7075合金的差不多,成形工艺、加热温度与时间均大体相当,开锻温度不宜大于420℃,否则会产生热脆,锤锻时更应注意,终锻温度应≥280℃。7050合金的可焊性不佳,不宜熔焊,可进行电阻焊,当然摩擦搅拌焊(FSW)最佳。锻件固溶处理时,为了避免淬火变形和降低残余应力,最好尽可能地采用较缓慢的冷却速度,如淬火水温可控制在54℃~66℃,板材应在辊底式炉内淬火,中国拥有全世界最多的先进辊底式固溶处理炉,可处理板材的最大厚度可达250mm,全国有7家轧制厂拥有这种处理炉。

  7075合金的表面处理与其他7XXX系合金的相同。有良好的可切削加工性能与磨削性能,为防止锻件切削温度过高引起变形,切削区温度应

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