固溶处理对高强度铝合金组织和性能影响分析

2022-10-12

在航空航天领域使用的器材设备, 对制作材料有着多方面的要求, 高强度铝合金具有韧性高、耐腐蚀性好等优点, 这种材料能够承受超过600MPa的抗拉强度, 这些优点与其自身的低密度、高强度以及优质的热加工性能有着密切关联。保证如此多优点的同时, 这种材料的造价低廉, 比钛合金的性价比要高出许多, 所以在很多飞行运输工具中发挥着巨大作用。

一、实验内容

本案选用7055铝合金, 利用喷射沉积技术喷射成形制坯, 接着利用热挤压技术挤压成圆柱形棒材作为实验材料。实验采用100-120℃的合金熔体过热度、500-650KPa的雾化气体压力、770℃的喷射沉积温度以及3.39的气液比等工艺参数, 该项实验需要在8MN的热挤压机上实行。选择390至420℃的挤压温度、17-23毫米/分钟的挤压速率、挤压比λ为3和7两种工艺数值, 挤压成为圆柱形的材料。而后分别在材料上截取4厘米的实验样品做固溶处理和时效处理, 观测处理后的组织变化, 接着再进行力学性能的测试。研究对象为不含镍 (Ni) 的7055合金作为1号试样, 含1%镍 (质量分数) 的7055合金作为2号试样。

二、试验结果与分析

(一) 固溶温度对合金性能的影响

本次实验对选取的两种铝合金做固溶处理, 由于DSC热分析的过程中加热速度与实际的生产存在差别, 考虑到可能产生的“温度滞后”现象, 设定1.5小时的保温时长, 选择490、485、480、475、470、465等6种温度。而后在130℃的环境下进行时效处理, 时间控制在24小时。时效过程中发生的反应是过饱和固溶体分解与第二相析出强化粒子沉淀, 影响铝合金最终的力学性能主要就是由于此过程中第二相析出粒子的体积、合金基体的晶界特性以及与基体的界面关系。通过实验数据可知, 高性能的铝合金材料是经过475-480℃的固溶温度处理后得到的, 具体参看表1。

1号试样在475℃环境下做固溶处理, 时间1.5小时, 而后在温度130℃环境下做24小时的时效处理。处理之后的1号试样经过粗磨、细磨、机械抛光处理之后, 放到硝酸腐蚀液中进行腐蚀处理, 最后用金相显微镜观察其微型形态。2号试样在480℃环境下做固溶处理, 时间1.5小时, 而后在温度130℃环境下做24小时的时效处理。处理之后的2号试样经过粗磨、细磨、机械抛光处理之后, 放到硝酸腐蚀液中进行腐蚀处理, 最后用金相显微镜观察其微型形态。通过不同的固溶温度处理完毕之后, 测出的实验数据具体为:1号试样的抗拉强度是690MPa, 屈服强度是681MPa, 断面的伸长率达到9.5%, 硬度是161HB;2号试样的抗拉强度是680MPa, 屈服强度是671MPa, 断面的伸长率达到9.1%, 硬度是196HB。比较两种试样之后能够发现:在不同的固溶温度下处理试样之后, 1号试样的抗拉强度、屈服强度都要略高于2号试样, 不过1号试样的硬度明显低于2号试样。因此在实际的生产应用中, 应该根据产品的需求, 来采用不同的固溶温度处理获得合适的材料。通过两个试样在显微镜下的微型形态能够看出, 480℃的固溶温度下处理的试样晶粒非常微小, 有明显增加的析出物显现在晶界上面。

(二) 固溶时间对合金性能的影响

为了探究固溶时间对合金性能会有哪些影响, 本次实验特设置3号试样, 3号试样即是在对2号试样固溶处理的基础上增加固溶时间。具体操作如下:3号试样在480℃环境下做固溶处理, 时间2小时, 而后在温度130℃环境下做24小时的时效处理。处理之后的3号试样经过粗磨、细磨、机械抛光处理之后, 放到硝酸腐蚀液中进行腐蚀处理, 最后用金相显微镜观察其微型形态。测出的实验数据具体为:3号试样的抗拉强度是677MPa, 屈服强度是654MPa, 断面的伸长率达到7.6%, 硬度是186HB。通过2号与3号试样在显微镜下的微型形态能够看出, 3号试样中的晶粒更加微小, 有更加明显增加的析出物显现在晶界上面。通过对3重视样的测试结果进行总结分析可以得出:时长控制在1.5-2小时, 固溶温度在475℃-480℃之间, 所得的样品材料具有最优质的性能, 最高能够达到690MPa的抗拉强度, 681MPa的屈服强度, 断面的伸长率达到9.5%。

(三) 挤压比对合金性能的影响

通过上述实验数据可以看到, 不同的固溶处理对材料的影响有明显区别, 但材料的最大抗拉能力都没能达到700MPa。因此需要进一步探究挤压比对不同固溶处理的材料有哪些影响, 表二即为挤压比λ调整为7时, 不同固溶处理之后材料性能详情:

通过表1、表2的实验数据对比之后可以得出, 当挤压比λ增加之后, 经过不同温度的固溶处理之后的材料性能都有显著地提升。尤其是经过2小时在480℃的固溶温度处理之后的材料, 抗拉强度达到了725MPa, 提高了6%;屈服强度达到了720MPa, 提高了5%;伸长率也达到了13.2%, 提高了39%。

通过增加挤压比λ, 可以进一步压缩高强度合金微型组织的疏松结构, 使合金的微型组织更加紧密。通过在显微镜下的微型形态能够看出, 合金的显微组织变得更加紧密, 绝大部分的空洞已经消失。增加挤压比λ之后, 合金材料的形变能力也获得提升, 减少了沉积态预析出的第二相粒子数量。

(四) 固溶处理对合金的拉伸断口的影响

通过观察挤压比λ为7, 经过2小时在480℃的固溶温度处理, 而后在130℃的环境下进行时效处理, 时间控制在24小时的实验材料, 通过拍摄出的SEM高倍照片, 能够看到非常典型的延性断裂特征的断口样貌, 具有非常优良的可塑性。断口主要有沿晶混合型和韧性穿晶型两种断裂形式。通过观察断口高倍照片能够得出:具有比较深的韧窝, 韧窝大小几乎没有差别, 其中有非常微小的、球状的第二相粒子。

三、结语

在 (130℃, 24h) 的时效处理条件下进行固溶处理, 时长控制在1.5-2小时, 固溶温度在475℃-480℃之间, 所得的样品材料具有最优质的性能。当挤压比λ从3调整为7之后, 实验材料在经过不同固溶处理之后每一项性能都得到大幅度提升, 经过2小时在480℃的固溶温度处理之后的材料, 抗拉强度达到了725MPa, 提高了6%;屈服强度达到了720MPa, 提高了5%;伸长率也达到了13.2%, 提高了39%。在实际的应用中, 应该根据实际的需求, 来对高强度铝合金进行处理, 以获得最优的产品与体验。

摘要：本文通过研究不同固溶处理和不同挤压比对喷射成形7055超高强度铝合金的显微组织与性能的影响, 通过观测挤压态、沉积态以及热处理后的样品的显微组织, 测试经过固溶处理的实验样品的力学性能。分析得出结论:在 (130℃, 24h) 的时效处理条件下进行固溶处理, 时长控制在1.5-2小时, 固溶温度在475℃-480℃之间, 所得的样品材料具有最优的性能。经过实验处理后的材料伸长率提高了39%, 能够达到13%;抗拉强度提高了5%, 能够达到725MPa。

关键词：高强铝合金,固溶处理,压比,显微组织