采用传统铸造方法制备的7xxx(Al-Zn-Mg-Cu)系铝合金, 当Zn含量超过8%时(无特殊说明时, 本文中含量均为质量分数), 铸锭晶粒粗大, 且容易产生成分偏析和铸造热裂纹等缺陷, 限制了铝合金的应用。采用喷射成形方法制备的超高强度铝合金能有效避免上述问题。喷射成形方法制备的7xxx系铝合金经热处理后抗拉强度达到750 MPa^[1-2]。

Cu是7xxx系铝合金中的主要元素之一。Cu与Al能和Mg形成Al₂CuMg强化相, 从而提高合金的塑性、韧性和疲劳强度。Cu原子溶入GP区可提高GP区的稳定温度范围, 同时, Cu原子还可进入η和η′相中提高7xxx系铝合金的抗应力腐蚀性能^[3-4]。工业上7xxx系铝合金中Cu含量一般为0.8%~3.0%^{[1, 5]}。理论上, 7xxx系铝合金中Cu含量达到0.8%已足够, 但为了提高产品的耐高温性能并防止铸造时发生热裂, 所以将合金中的Cu含量提高到2.0%~2.6%。

超高强度铝合金存在强度、塑性和韧性的矛盾^[6]。合金中的Fe, Si杂质元素形成的粗大难溶的杂质相是降低合金断裂韧性的主要原因^[7], 且在含Cu量较高的合金中主要形成Al₇Cu₂Fe相^[3-4]。一般采用热处理来提高合金的强度、塑性和韧性, 但是效果不佳。据报道, T77热处理工艺能够在大幅度提高7xxx系铝合金强度的同时提高其韧性^[8-9], 但是国内T77热处理工艺并未被开发出来^[10]。本文研究控制原材料Cu含量对喷射成形7055铝合金组织和性能的影响。

1 试验材料与方法 1.1 试验材料

本研究所采用的两种喷射成形7055铝合金锻件在符合GB/T 3190的基础上, 铝合金中Cu含量由原来的2.55%调整为2.17%。Cu含量调整前后的7055铝合金分别用7055(A)和7055(B)铝合金表示, 成分见表 1。喷射成形7055铝合金工艺流程为:喷射铝→挤压至122 mm×172 mm×360 mm→由122 mm镦粗至65 mm, 采用T76热处理工艺。

1.2 试验方法

室温拉伸试验沿纵向取样, 按照《GB/T 228.1金属材料拉伸实验第1部分:室温实验方法》制取试样并进行拉伸, 拉伸试验机型号为XD-120A。断裂韧性测试试样制取和试验按照《GB/T 4161—2007金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》进行, 试验机型号为MTS-50KN-2。显微组织和拉伸断口观察在日立JSM-6480型扫描电子显微镜(SEM)上进行。物相分析在能谱仪(EDS)上进行。

2 试验结果及讨论 2.1 室温拉伸

图 1是7055(A)和7055(B)铝合金的室温拉伸试验结果。从图 1(a)中可以看出, 7055(A)铝合金的T76态锻件纵向的抗拉强度平均为636 MPa, 屈服强度平均为615 MPa, 伸长率平均为11.2%。7055(B)铝合金的T76态锻件纵向的抗拉强度平均为619 MPa, 屈服强度平均为597 MPa, 伸长率平均为11.9%。可见, Cu含量降低0.38%后, 两种试验合金的抗拉强度和屈服强度略有降低, 但降幅并不明显, 其伸长率有所提高。

2.2 断裂韧性

7xxx系铝合金因强度高, 广泛用于飞机构件。但是由于7xxx系铝合金中产生的微裂纹容易在疲劳载荷下或腐蚀介质中失效, 易发生低于屈服强度的脆性断裂, 因此提高断裂韧性是高强铝合金推广应用的关键^[3]。

图 2是7055(A)和7055(B)铝合金的断裂韧性试验结果。从图 2中可以看出, 当合金中Cu含量为2.55%时, T76态锻件纵向断裂韧性平均为26.72 MPa·m^1/2, Cu含量降低到2.17%后断裂韧性平均为42.29 MPa·m^1/2, 断裂韧性提高58.27%。这说明Cu含量降低对提高合金的断裂韧性效果十分显著。

2.3 显微组织

图 3是7055(A)和7055(B)铝合金T76态锻件纵向显微组织的SEM照片。从图 3中可以看出, 晶界上存在不连续的孔洞, 但孔洞直径＜1 μm, 对合金性能影响不大。从图 3(a)中可以看出, 7055(A)铝合金的晶粒内部有细小弥散相析出。这些细小弥散相主要是MgZn₂相, 还有少量Al₂CuMg相, 其中MgZn₂相是喷射成形7055铝合金的主要强化相^[11]。图 3(a)中的晶界上出现了数量较多的不连续的粗大析出相, 部分析出相长度约为10 μm。图 3(b)是7055(B)铝合金的显微组织。从图 3(b)中可以看出, 晶粒中分布着数量较多的细小弥散的MgZn₂相, 且晶界上有尺寸较小的孔洞, 与图 3(a)一致, 但晶界上粗大析出相数量明显减少。

为研究Cu含量降低前晶界上粗大析出相是否与Cu含量有关, 对图 3(a)选区中出现的粗大析出相做EDS面扫描分析, 分析结果见图 4, 各相含量见表 2。从图 4中EDS面扫描分析结果可以看出, 晶界上的析出相是Al₇Cu₂Fe相。这说明Cu的存在是晶界处粗大析出相形成的主要原因, 因此可以通过适量减少Cu含量来减少粗大的Al₇Cu₂Fe相的形成。

2.4 拉伸断口

图 5为是7055(A)和7055(B)铝合金拉伸断口的SEM照片。从图 5中可以看出, 断口都有明显的韧窝特征, 说明成分改变前后, 两种合金断裂方式都属于韧性断裂。对比图 5(a)和(b)可以发现, 图 5(b)中的韧窝较图 5(a)更加明显, 且更深, 说明Cu含量降低后材料塑性有所提高, 这与拉伸试验中降低Cu含量后伸长率有所提高的结果一致。图 5(a)中的韧窝中存在数量较多的第二相颗粒, 部分颗粒已经破碎, 并且韧窝周围也存在这样的第二相颗粒, 且尺寸较大。图 5(b)中的韧窝中也存在这样的第二相, 但是数量明显减少。

将7055(A)铝合金的拉伸断口进一步放大, 见图 6(a)。从图 6(a)中可以看出断口中出现的第二相尺寸、形貌不一, 有尺寸较小的颗粒状和尺寸较大的块状。对两种形态的第二相做EDS点扫描分析, 结果见图 6(b)。从EDS分析结果可以看出, 检测的两个第二相均为Al₇Cu₂Fe相。

研究表明, 7xxx系铝合金中Cu含量较高时, 如果存在较多的Fe, Si等杂质, 它们会与Cu, Mg等形成粗大的金属间化合物^[12-13]。粗大的金属间化合物硬而脆且与基体非共格, 即使应力较低也容易破碎或与基体分离形成孔洞。因此, 粗大的金属间化合物是影响合金断裂韧性的重要因素。所以, 降低Cu含量的7055(B)铝合金的断裂韧性显著提高。但是在7xxx系铝合金中, Cu是主要强化元素之一, Cu在Al中的平衡极限固溶度为5.65%, Cu的存在能形成固溶强化相, 同时改变了强化相结构, 使高强铝合金时效后组织更为细小弥散, 有利于提高合金的强度和塑性。同时, Cu存在于高强铝合金中也有利于改善铝合金的抗应力腐蚀性能^[14]。

本试验中Cu含量降低了0.38%, 对合金的强度和伸长率影响不大, 但是如果Cu含量降低很多, 则会减少强化相的析出, 使合金的强度明显降低。因此, 为了提高喷射成形7055铝合金的韧性, 同时又不降低其强度和塑性, 考虑除微量降低Cu含量外可以采取进一步降低Fe, Si杂质含量的措施来减少粗大Al₇Cu₂Fe相的形成。

3 结论

(1) 喷射成形的7055铝合金中, Cu含量由2.55%降低至2.17%后, T76态锻件纵向晶界上存在数量较多的Al₇Cu₂Fe粗大析出相。

(2) Cu含量降低后, 7055铝合金的抗拉强度和屈服强度分别由636 MPa和615 MPa降低至619 MPa和597 MPa, 伸长率由11.2%提高至11.9%。

(3) Cu含量降低后, 断裂韧性由26.72 MPa·m^1/2提高至42.29 MPa·m^1/2, 断裂韧性提高58.27%。降低Cu含量减少了Al₇Cu₂Fe粗大析出相, 对提高断裂韧性效果显著。

(4) Cu含量降低前拉伸断口中存在较多的Al₇Cu₂Fe第二相, Cu含量降低后第二相明显减少。

(5) 由于Cu在7xxx系铝合金中是强化相组成元素, 且对提高合金的强度、塑性和抗应力腐蚀能力有重要意义, 因此为减少粗大Al₇Cu₂Fe相的形成可考虑进一步降低Fe, Si等杂质元素的含量。