7055铝合金的化学成分_物相组成及其性能特点

第29卷　第3期

2008年9月

上海有色金属

SHANGHAINONFERROUSMETALS

Vol129　No13Sept.

2008

文章编号:1005-2046(2008)03-0118-05

7055铝合金的化学成分、物相组成及其性能特点

王国军

1,2

,吕新宁

1

(1.东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨　150060;

2.北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京　100088)

摘　要:说明了7055合金中Zn、Cu、Mg、Si、Fe和Zr等元素在该合金中的作用或影响;阐

η(MgZn2)、S(Al2CuMg)、T(Al2Zn3Mg2)以及Al3Zr的作用;讲述了该合金的物相组成和α2Al、解了基体沉淀相(MPt)、晶界沉淀相(GBP)和晶间无析出带宽度(PFZ)对该合金性能的

影响,介绍了该合金的性能特点进而介绍了该合金晶界腐蚀、应力腐蚀和剥落腐蚀的产生机理。总结了该合金化学成分、物相组成与宏观性能的对应关系。关键词:7055铝合金;化学成分;物相组成;性能;+

中图分类号:TG146121;TG304　　　Compositionof

ItsPerformanceCharacteristics

WANGGuo2jun

1,2

,LVXin2yu

1

(1.NortheastLightAlloyCo.,Ltd.,Harbin150060,China;2.StateKeyLaboratoryforFabrication&ProcessingofNonferrousMaterials,BeijingGeneralResearchInstituteofNonferrousMetals,Beijing100088,China)

Abstract:ThefunctionsandinfluencesofthealloyingelementsincludingZn,Cu,Mg,Si,FeandZrinthealloyaredescribedwiththephasecompositionandthefunctionsofα2Al,η(MgZn2),S(Al2CuMg),T(Al2Zn3Mg2)andAl3Zrgiven.TheeffectofMPt,GBPandPFZonthepropertiesofthealloyareexpounded.Basedonthedescriptionoftheperformancecharacteristics,theformingmechanismsofitsboundarycorrosion,stresscorrosionandexfoliationcorrosionareintroduced.Thecorrelationbetweenchemicalcomposition,phasecompositionandmacropropertiesofthealloyissummarized.Keywords:aluminumalloy7055;chemicalcomposition;phasecomposition;property;mechanismofexfoliationcorrosion

0　前　言

高强铝合金是航空工业的主要结构用材之一。现代航空工业的发展,要求航空结构材料具

收稿日期:2008205227

有更高的强度、更好的断裂韧性(KIC)、抗应力腐蚀开裂性能(SCC)和抗疲劳性能。7055超高强铝合金是目前变形铝合金中强度最高的合金,美国铝业公司生产的70552T77合金板材强度比

作者简介:王国军(1972-),男,博士研究生,高级工程师,主要从事铝、镁及其合金的新合金、新状态和新工艺的研究和开发。Tel:13766887645,E2mail:wangguojun@nelat1com。

第3期

王国军等:7055铝合金的化学成分、物相组成及其性能特点119　　　

7150的高出10%,比7075的高出30%,而且断

裂韧性较好,抗疲劳裂纹扩展能力强。该合金对

晶间破裂和腐蚀都有抵抗力。东北轻合金有限责任公司的技术人员与东北大学、中南大学、北京有色金属研究总院的专家学者一起对7055合金做了大量细致的研究。结果表明7055合金之所以具有如此好的综合性能是由于它的化学元素组

[1]

成和微观结构决定的。为了更好地应用该合

金,也为开发新的合金作好理论准备,本文对7055合金的化学元素组成、物相组成以及该合金的性能作一综合分析。

1　7055合金的化学元素组成及其作

用

表1列出了7055合金通常的化学成分。

表1　7055合金的化学成分

合金牌号

Si

7055

Fe

Cu210～216

Mn

化学成分/wt%

Mg118～213

Cr

Zn716～814

Ti

Zr0105～0125

≤0110≤0115Φ0105Φ0104≤0106

7055合金包括主合金元素Zn、Mg、Cu和微量元素Zr,以及少量的杂质元素Fe和Si。由于大部分合金元素在Al、高温沉淀的尺寸在mμ的尺寸在011m以下的析出相微粒。合金元素和杂质元素的含量超过其在Al中的极限固溶度,即导致粗大的结晶相颗粒。粗大的结晶相颗粒是应力集中和裂纹萌生之处,对7055Al合金的断裂韧性、疲劳性能和应力腐蚀开裂均有显著影响。减少粗大结晶相颗粒是发展高性能Al合金首先需要解决的问题。

7055超高强铝合金中,Mg和Zn的含量较

,G区GP区的,,。对于Zn/Mg比较大的合金,即使其Cu含量较高,仍能保持较好的韧性。在超高强铝合金中保持较高的Zn/Mg比是得到良好性能的基础。Cu能强化合金,主要通过固溶方式强化

[2]

。

向Al2Zn2Mg2Cu系合金中加入Mn、Cr、Zr之类的元素,能提高强度性能和耐腐蚀性能。含Mn、Cr元素的合金,其耐腐蚀性能明显高于不

含Mn、Cr的合金。这些元素有利于提高合金的再结晶温度,阻止在热变形和随后淬火加热时再结晶过程的进行。最有效的添加元素是Zr。加入Zr,不论在加热变形之后还是在冷变形后,都能提高铝合金的再结晶温度。因此,使之有可能在热处理后获得非再结晶组织。为了进一步提高7055合金的强度,一般添加0105%～0125%的Zr。Zr和Al结合形成Al3Zr金属间化合物,这种金属间化合物有两种结构形态:从熔体中直接析出的Al3Zr为四方结构,可显著细化合金的铸态晶粒;另一种是铸锭均匀化过程中析出的球形粒子,具有LI2结构,与基体共格,具有强烈地抑制热加工过程中再结晶的作用,微量Zr可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。此外,由于Zr的淬火敏感性较小,Zr还可以提高合金的淬透性和焊接性。

高。Zn为716%～814%,Mg为118%～213%,ZnΠMg比大于3。Zn、Mg和Cu对热处理效果的

影响是不同的。增加Zn和Mg的浓度能同时提高淬火和时效效应,但是,当合金中含Zn多于5%时,加入Cu由于改变了固溶体浓度,只影响

淬火效应。在合金中主要形成强化相MgZn2。MgZn2相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧

下降,具有很强的时效硬化能力。在固溶限范围内,提高Zn、Mg的含量可以大大提高强度,但会导致合金的韧性和抗应力腐蚀性能降低。

在其溶解度范围内向含有Zn和Mg的合金中加入2%～3%的Cu,能同时提高强度、相对延伸率、塑性、耐蚀性和重复加载抗力。高Zn

120　　　

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在7055超高强铝合金中,Fe和Si是有害杂

(Fe,Mn,Cu)A16、质,可能生成(Fe、Cr)3SiAl12、Cu2FeAl7和Mg2Si等杂质相粗大粒子。在合金中

度和塑性。经过高温长时间强化均匀化处理,共晶相的数量、尺寸有所减少,但共晶相仍只能部分溶入基体。即使经过热挤压变形,仍保留了部分粗大的第二相粒子。

S(Al2CuMg)相:该相属斜方晶系,点阵常数为a=014nm,b=01025nm,c=01715nm。

Al3Zr相:由于Zr在Al中的溶解度极低,微

主要以不溶或难溶的A1FeSi等脆性相的形式存在。热加工变形后,容易形成沿变形方向断续排列的带状组织。塑性变形过程中,由于基体与脆性相变形不协调,容易在相界面上形成孔隙,产生微细裂纹,成为宏观裂纹的发源地,显著降低合金的断裂韧性。7055超高强铝合金是在7075铝合金的基础上进一步控制这两种有害元素的含量发展起来的。7055超高强铝合金的Fe的含量必须控制在0115%以下,Si含量控制在011%以下。

[4]

量Zr的加入也容易析出Al3Zr粒子。一般认为Al3Zr为弥散分布在晶内和晶界上的微小质点,

对细化合金晶粒、提高合金强度、韧性、时效效果和抗腐蚀性能都是有益的。

一般认为,7055铝合金的沉淀顺序是:α(过饱和固溶体)→GP区→η’(2过渡相)η(2)→233P与基体共,GP区沿基体的,随着时效时间的延长和温度的升高,其厚度虽无明显增加,但直径却迅速增大。η’为过渡相,与基体保持半共格六方结构,在基体的(111)面上呈六角形板状沉淀,与基体的取向关系为{0001}η’//{111}a、{1010}η’//{110}a;η为平衡相,与基体非共格,为六方结

2　7055合金的物相组成及其作用

据文献[5]报道,7055合金中主要的物相

η(MgZn2)、S(Al2CuMg为:α2Al(固溶体)、T(Al2Zn3Mg2)和Al3Zr。

α2Al(:,由纯AlMgCu、r等原子,形。除Zr的原子半径为01216nm,大于基体原子半径外,合金中其它元素的原子半径均小于基体原子的原子半径

(Cu:01157nm,Zn:01153nm,Mg:01172nm。因此,当合金元素溶入纯Al基体中时,面心立方结构发生畸变扭曲,固溶体晶体的点阵常数应小于纯Al的点阵常数。通过X射线衍射精确测量固溶体的点阵常数,可以发现固溶体的固溶度越大,固溶体的点阵常数越小。另外,固溶度的大小还可以通过测量合金试样的电导率来反映。当合金元素溶入Al中对Al原子的原始晶格的影响,这种晶格畸变使电子通过材料的过程变得更加困难,电导率将降低。合金元素尺寸的大小对纯Al电导率也有一定影响,尺寸小于Al原子的Si和Zn对电导率的影响小于Mg和Cu,而合金

构,呈板条状。

合金的强度主要依赖于基体沉淀相(MPt)。在固溶处理后的整个时效过程中,合金的强度基本上随各时效阶段的基体组织而变化。不过,基

η’相中的一种或两种体的强度到底由GP区、

联合决定,至今没有定论。有人认为,主要强化

相是GP区,即基体组织中刚刚出现η’相时,合金的强度最高,此时强化的贡献主要来自GP区粒子在基体中所引起的内应力及位错穿过它们时所引起的化学效应对位错运动的阻碍作用。如果时效到以η’相为主时,则基体的强度明显下降。也有人通过计算得出结论,认为主要强化相是η’相,还有人则认为是两者共同作用的结果。但是,无论是何种质点作为强化相,其体积分数越大、越弥散,则强化效果越好。若沉淀相质点刚性大,且分布很均匀,则必然对抗应力腐蚀性能及韧性有利。因为这些分布均匀、刚性较大的质点能更有力地阻碍变形过程中位错的运动,从而提高合金的强度。连续网状分布的晶界

元素对Al合金的电导率的实际影响是每种单独元素影响的合成。

η(MgZn2)相:该相为六方结构。点阵常数a=015233nm,c=018566nm。非平衡的MgZn2相

是主要强化相。

T(Al2Mg2Zn3)相:晶体结构和点阵常数都不清楚。一般认为这种共晶相严重影响合金的强

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王国军等:7055铝合金的化学成分、物相组成及其性能特点121　　　

沉淀相(GBP)对合金的性能最为不利。这是因

为:(1)在时效过程中,晶界沉淀相多的η’或η相,它们相对于基体有一定的可动性,在变形过程中会阻碍晶粒的相对运动,因而对材料的韧性及塑性不利;(2)晶界析出物均匀微细,晶界被析出物覆盖率越高,就越容易产生应力腐蚀开裂。晶间无析出带宽度PFZ会降低合金的强度

[6]

,PFZ常常受到GBP的影响,但这方面的研

究还不深入。

为达到7055合金的最佳综合性能的目的,我们采取了低频电磁半连续铸造工艺研究,双面快速喷淋淬火工艺来优化物相组成,在生产中采用滚底式淬火炉还可以实现二级时效后的急冷(缓饱和处理),可在工业化生产条件下实现T77状态。

3　7055合金的性能特点

7055

金。3,;图2是该合金120℃时效硬化曲线和电导率曲线,反映了该合金时效硬化情况;图3是该合金时间2温度2性能曲线,反映了该合金淬火敏感性。但这类合金时效到峰值强度T6状态时,应力腐蚀开裂(SCC)倾向明显增加,使其应用的安全可靠性受到影响。应力腐蚀敏感性高,可以通过改变热处理来改善

[7]

。

7055合金硬度与其最大硬度之比:1-90%;2-85%;3-80%

剥落腐蚀是7055超高强铝合金的一种危害性很大的局部腐蚀,以飞行器、舰船结构中最为常见,如机翼、发动机喷气管道、焊接位和舱底等部位。剥落腐蚀的发生,使材料的寿命和产品的安全性受到很大损害,严重的剥落腐蚀可以使材料使用寿命下降40%以上

[8]

图3　7055合金TTP曲线

国内外大多数研究者认为,在一般情况下,

高度定向的显微组织和适宜的介质是引起Al合金剥落腐蚀的必要条件。因此,剥落腐蚀是晶间腐蚀的一种特殊形式,剥落腐蚀与Al合金晶间腐蚀敏感性有关,热处理使Al合金中产生沿晶界的有选择性的阳极通道。当晶间腐蚀在扁平的、平行于表面晶粒的、有高度方向性的组织中进行时,不溶性腐蚀产物的体积大于所消耗金属的体积,从而产生“楔入效应”,撑起上面没有腐蚀的金属,引起分层剥落。

。

图1　固溶处理温度对7055

合金性能的影响

122　　　

上　海　有　色　金　属第29卷

但是,美国Alcoa实验室指出,晶粒内部腐蚀也会引起剥蚀;Goard也提到,在对晶间腐蚀不敏感的Al材中发现剥蚀。所以另有一部分学者认为,剥落腐蚀是一种应力腐蚀。Al合金在沉淀硬化的过程中,其同溶体分解程度决定了剥蚀敏感性,此外,材料内应力也是影响剥蚀敏感性的重要因素。可用声发射的方法来研究剥蚀,测定剥蚀的孕育期以及萌生位置等。

时效对Al合金的剥蚀有很大的影响。自然时效和过时效的Al合金的剥蚀敏感性较低,而峰值时效的剥蚀敏感性最高。其原因是,峰值时效时,S相(CuAl2Mg)在晶界呈连续网状结构析出。在适宜的介质中,S相中的Cu作为阴极,S相中的Mg、Al以及晶界贫Cu、贫Mg区中Al交替作为阳极进行电化学腐蚀,形成十分敏感的活性通道,使腐蚀沿晶界扩展,并在腐蚀产物的应力作用下,形成剥蚀层。,铸造S相与纯Al[9、固溶体的分解、合金组分的连续偏析、金属间化合物的形成及其在晶界附近的富集等,从而引起显微组织和内应力的变化,为剥蚀的发生、扩展创造了不同

[10]

的条件。这些因素也往往是影响点蚀、晶界腐蚀和应力腐蚀的重要因素。Al合金的硬度和电导率性能分别反映合金的强度和抗应力腐蚀性能。热处理强化型Al合金的高强度主要是通过时效处理得到高弥散度的沉淀相来达到的。电导率是反映合金应力腐蚀的参数,电导率愈高,抗

[11]

应力腐蚀性能愈好。7055铝合金的硬度和电导率见表2。

表2　7055铝合金三级时效的硬度及电导率

时效制度

120℃/24h+175℃Π115h+120℃Π24h120℃/30h+175℃Π115h+120℃Π30h140℃/28h+175℃Π115h+140℃Π28h90℃/10h+140℃Π10h+170℃Π2h93℃/8h+130℃Π8h+170℃Π2h93℃/8h+120℃Π8h+170℃Π4h

硬度/HB电导率/MS m-1

951496199211941594118916

211422122310211520102316

η平衡相的尺寸、数量和分布,进而影响渡相、

合金的性能。基体沉淀相(MPt)、晶界沉淀相(GBP)和晶间无析出带宽度(PFZ)的形状与特性决定了合金的宏观性能。参考文献:

[1],,.[J].,,10:36.

[2,.铝合金的淬火敏感性研究

(自然科学版),2006,10:8462848.[3]刘继华,李荻,郭宝兰.7×××系列铝合金应力腐蚀开裂

的研究[J].腐蚀科学和防护技术,2001,13(4):2182

222.

[4]LendvaiJ.PrecipitationandStrengtheninginAluminumAlloys

[J].MaterialsScienceForum,1996,2172222:43256.

[5]谷亦杰,李永霞,张永刚,等.7050合金RRA沉淀析出的

TEM研究[J].航空材料学报,2000,20(4):127.[6]陈康华,刘红卫,刘允中.强化固溶对7055铝合金力学性

能和断裂行为的影响[J].中南工业大学学报(自然科学版),2000,31(6):5282531.

[7]郑子樵,李红英,莫志民.一种7055型铝合金的RRA处理

[J].中国有色金属学报,2001,11(5):7712776.

[8]曾渝,尹志民.超高强铝合金的研究现状及发展趋势[J].

中南工业大学学报,2002,33(6):5922596.

[9]王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙:中南

工业大学出版社,1989.

[10]周鸿章.高强铝合金的研究进展[J].稀有金属材料与工

4　结　论

7055铝合金的综合性能优良。7055铝合金

程,2001,30(6):87292.

[11]李杰.热处理对7055合金组织与性能的影响[D].长沙:

中南大学,2005.

η’中的化学成分组成及含量决定了GP区、过

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0ie1.html