锻件的组织性能控制

固溶-时效处理对B93合金锻件组

织性能的影响

——关于锻件组织性能控制的讨论

学 院 材料科学与工程学院 专 业 锻 压 学 生 学 号

引言

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金是20世纪60年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金，具有质量轻、强度高、韧性高和成本低等一系列优点，广泛应用于航空、交通运输、舰艇和兵器等领域，具有极高的应用价值，受到世界各国的高度重视[1]。

超高强度铝合金通常采用铸造、粉末冶金、电磁搅拌和喷射成形等技术制坯，采用轧制、挤压、锻造等技术进行加工，采用固溶—时效方式对合金进行强韧化处理[2]。固溶—时效作为铝合金主要的热处理方法，对铝合金的组织性能影响很大。

1 B93高强度铝合金

B93铝合金是属于Al-Zn-Mg-Cu系的一种新型铝合金结构材料，与本系其他铝合金的区别是成分中不含有能阻止再结晶，增强各向异性和加速过饱和固溶体分解的少量添加元素Mn、Cr和Zr，代替这些元素的是在B93合金中加入少量的铁。它具有好的铸造、锻造和挤压工艺性能，良好的淬透性，可靠的耐蚀性和疲劳强度，适用于生产棒材以及成形大型锻件制品，是一种性能优良的高强锻造铝合金。

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的机械性能主要取决于Zn、Mg的含量，因为Zn和Mg在铝合金中形成主要强化相，Zn、Mg含量的不同，其组织和性能的差异也很大，一般随着Zn、Mg含量的增加强度显著的提高。但是高强度铝合金在强度、塑性、韧性以及抗应力腐蚀之间存在一定的矛盾，即随着强度的提高，塑性、韧性及抗应力腐蚀性能都有下降的倾向。Cu是高强铝合金中极为重要的合金元素，它能提高沉淀相的弥散度，改善晶间结构，如晶界沉淀相、晶界无沉淀析出带，改善沿晶腐蚀性能，起到改善Zn、Mg含量高时带来的塑性和抗蚀性降低的缺点。

表1 B93铝合金化学成分

通常认为Al-Zn-Mg-Cu合金的析出序列为α-Al过饱和固溶体分解→析出GP区→析出η′(过渡相)→析出η(平衡相)，其中GP区、η′(MgZn2)过渡相、

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η(MgZn2)平衡相的尺寸、数量、分布及晶界无沉淀析出带(PFZ)的特性对合金的性能有很大的影响。对于Al-Zn-Mg-Cu系合金锻件，锻件在不同取向条件下、不同热处理状态下的微观组织不同，所以探索B93合金锻件在不同热处理状态下的微观组织结构，对于提高B93铝合金的组织性能有很大帮助。

2 固溶-时效处理对B93铝合金锻件显微组织的影响

Al-Zn-Mg-Cu合金经过一定的热处理工艺，可以在不改变合金成分的条件下，达到需要的强度和刚度，并具有较好的抗应力腐蚀能力、断裂韧性、较高的疲劳强度和良好的高温性能，固溶-时效处理是超高强铝合金主要的热处理方法。

2.1 固溶处理对B93合金显微组织的影响

固溶处理，既要保证最大数量的强化相溶入基体，又不能引起过烧及晶粒长大，从而为随后的时效处理进行组织结构上的准备。合理的固溶处理，将非平衡凝固形成的多相组织尽可能转变为固溶体组织，就能充分发挥合金元素的有益作用，有利于进一步发挥后续时效的作用，进而提高合金的性能。

图1为在不同固溶温度和固溶时间下的合金试样金相显微组织形貌[3]：a为合金锻件未固溶状态(热挤压态)的金相显微组织，可见晶粒在挤压过程中被拉长，存在着粗大的金属间化合物，这些化合物沿着挤压方向呈链状聚集分布。b为a图的局部放大，可见晶界上分布着粗大的金属间化合物，同时晶内分布着相对细小的第二相。

c、d和e分别为合金在450℃、470℃和500℃固溶处理40min后的金相照片。从图中可以看出，经过不同温度固溶处理后，合金中仍然存在残留的未溶相。随着固溶温度的升高，晶内及晶界处的粗大平衡相逐渐减少。当固溶温度为450℃时，温度相对较低，扩散进行的缓慢，合金中的非平衡溶解相溶解减少，残留的非平衡相粒子较多，较粗大，固溶不充分；470℃固溶时，扩散能力逐渐上升，强化相已经充分溶解，残留相明显减少，溶质相基本溶入到基体内；500℃固溶时，扩散速度迅速上升，强化相溶解更加充分，没有出现过烧，但是晶粒长大明显，晶界有粗化现象。在470℃固溶不同时间后，从d、f、g图可以得出：合金中的非平衡相随着固溶时间的延长逐渐减少，固溶5min后的试样中非平衡溶解相溶解较少，固溶程度不太充分；固溶40min后，合金中强化相得到充分溶

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解；固溶时间延长为80min时，合金的显微组织没有太大变化，粗大的非平衡相没有完全溶解。

图1 合金锻件在不同固溶条件下的金相显微组织 (a、b)固溶前；(c)450℃/40min；(d) 470℃/40min； (e)500℃/40min；(f)470℃/5min；(g)470℃/80min；

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2.2固溶-时效处理对B93合金显微组织的影响

高强铝合金在单级时效条件下，具有很强的应力腐蚀敏感性，限制了其在航空航天领域的应用和进一步发展。采用合适的双级时效[4]工艺，可以提高高强铝合金的抗应力腐蚀性能和断裂韧性，是改善高强铝合金综合性能的有效途径。

图2为不同热处理条件下B93铝合金锻件透射电子显微组织，从图中可以看出：合金的锻态组织中有大量粗大的平衡的η(MgZn2)和Mg32(Al,Zn)49相；固溶处理后,粗大平衡的η(MgZn2)和Mg32(Al,Zn)49消失，说明η(MgZn2)和Mg32(Al,Zn)49相已经完全溶入铝固溶体基体，组织变得很均匀清晰。固溶时效后，固溶体基体析出大量纳米级的η′(MgZn2)相。120℃/24h单级时效状态下，析出粒子比较小，120℃/24h+170℃/16h双级时效后析出粒子有所粗化，粒度在15～20nm，与此同时，晶界上出现离散的平衡相并且伴随着较窄的无沉淀析出带。

图2 不同热处理条件下B93铝合金锻件TEM组织

(a)锻态；(b)固溶态；(c)单级时效；(d)双级时效

沉淀强化的本质为位错切割沉淀相质点和位错绕过沉淀相质点两种强化机制。在沉淀相质点弥散细小的情况下，位错与沉淀相质点的交互作用主要是以切割机制进行，此时合金强度高、塑性低；在沉淀相质点比较粗化的情况下，位错

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与沉淀相质点的交互作用主要是以绕过机制进行，此时合金强度会降低而塑性会升高，所以B93合金锻件经过470℃×50min固溶，之后120℃×24h+170℃×16h双级时效后，可以得到良好的抗拉强度、屈服强度和伸长率等综合机械性能[5]。

3我国高强度铝合金发展现状及展望

3.1 我国高强度铝合金发展状况

我国新型铝合金，特别是大飞机用铝合金的开发和研究，尚处于仿制和试验阶段，某些性能差距较大，需进一步研究开发，存在的问题[6]：

(1)铝合金基础技术研究不足，合金研制缺乏创新； (2)品种规格不全，质量不稳定。

3.2 我国铝合金研发趋势展望

我国铝合金今后发展趋势的展望[7]：

(1)大力开展铝锂合金、铝基复合材料和超塑性成形铝合金的研发； (2)研究适合于工业化生产的形变热处理工艺，保证合金加工成形后的质量。

参考文献：

[1] 赵立华. 超高强度铝合金研究现状及发展趋势[J] 四川兵工学报，2011，32(10)：147-150. [2] 王洪斌，黄进峰，杨滨，等. Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的研究现状与发展趋势[J] 材

料导报，2003，17(9)：1-5.

[3] 韦莉莉. 高强B93铝合金棒材固溶与双级时效工艺的研究[D] 中南大学，2010，16-19. [4] 尹志民，蒋蓉蓉. 固溶-时效处理对B93合金锻件组织性能的影响[J] 材料热处理学报，

2009，30(5)：79-82.

[5] 蹇海根，姜锋. B93合金时效析出特性研究[J] 特种铸造及有色合金，2009，29(11)：

1003-1006.

[6] 刘冰. 大飞机用铝合金的研究现状及展望[J] 中国有色金属学报，2010，20(9)：1705-1714. [7] 吴一雷，李永伟. 超高强度铝合金的发展与应用[J] 航空材料学报，1994，14(1)：49-55.

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