7X75系列鋁合金的發展與展望

李棠旭,李 婷,劉越鵬,叢福官

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

7X75系列鋁合金屬于超高強度硬鋁,因其強度高,并且擁有著優良的機械加工性能和抗腐蝕性能,成為用途最為廣泛的結構鋁合金之一,在飛機結構件中占比高達70%～80%,是世界各國飛機制造的主要結構材料,在很多領域替代了昂貴的鈦合金材料,是國際上公認的航空制造常用材料,也是航天器關鍵結構的主要材料,目前仍然在航空航天應用方面占據著主要地位。

1 7X75系列鋁合金的發展及現狀

早在20世紀30年代初期,美國科學家K.J.Webber[1]就發現在Al-Zn-Mg系鋁合金中加入Cu元素和微量Mn元素,得到了一種強度接近600 MPa的新型鋁合金,即最初的7×××系鋁合金,但由于這種新型鋁合金的抗應力腐蝕性能很差,沒有投入使用。1953年,日本學者[2]發現可以通過在合金中添加一定量的Cr和Mn使其與鋁基體發生反應生成鋁化物,能夠一定程度地增加其抗應力腐蝕性能。直到1943年,美國通過調整元素之間的比例研制出了7075鋁合金[3],應用到B-29戰斗機的制造中,這也是7075鋁合金首次投入實際使用,在減輕飛機重量的同時也保持了機身的強度,超高強鋁合金從此邁向實際應用。

20世紀中期,美國和歐洲等國家逐漸意識到作為結構材料使用的鋁合金僅僅滿足強度是不夠的,疲勞強度、斷裂韌性及良好的抗應力腐蝕性能同樣重要,這樣才能長期的服役于惡劣的工作環境[4]。1957年,美國通過調整合金成分,減少合金中雜質含量,以7075鋁合金為基礎研制出了7175鋁合金。7175鋁合金作為7075鋁合金的改良型合金,擁有強度高,抗應力腐蝕性能好的特點,其斷裂韌性優于7075T73狀態的,抗應力腐蝕性能介于7075T76和7075T73之間,7175T74鋁合金強度接近7075T6鋁合金的[5]。1969年美國又推出了7475鋁合金,其強度保持在7075鋁合金的基礎上,又使抗應力腐蝕能力和斷裂韌性得到提高,同時也提高了塑性,7475鋁合金擁有良好的穩定性,是綜合性能最好的超硬鋁合金。從7X75系列鋁合金化學成分發展變化來看,7X75系列鋁合金通過大幅度降低雜質Fe、Si、Mn、Ti的含量,向著高純化發展[6]。

1960年,美國科學家研發出了7075鋁合金的雙級時效工藝,可以有效地改善峰時效后合金的抗應力腐蝕能力,但強度有一定的損失[7]。1974年,7×××系鋁合金回歸再時效工藝(RRA)問世,經此工藝處理后在提升抗腐蝕性能的同時,還保持了合金的強度[8]。同一時期,美國鋁業公司開發出了性能更加優良的超高強鋁合金,這些合金被廣泛應用在美國大型飛機如波音757、波音767等飛機的結構架、機翼等部分,回歸再時效工藝也被美國鋁業公司使用在波音777飛機的高強結構架、蒙皮等部件制造上,減少了飛機的重量。同時期,日本、德國等發達國家也研制出各種高強度鋁合金,并將其廣泛應用在交通運輸、航空航天等領域[9]。

20世紀80年代,我國開始對7×××系鋁合金開展相關研發[10-12]。雖然我國的鋁合金材料在產量上領先于世界,但是對于鋁合金的研發我國仍然與發達國家存在很大差距,且在研發初期,主要是對發達國家的技術進行模仿。20世紀80年代以后,國內開始針對高強高韌7×××系鋁合金開展一系列系統深入的研究。目前,在各種航空航天器的結構件制造中,以7075、7175、7475鋁合金所代表的7X75系列鋁合金已經進入生產和應用的實用化階段,在航空航天制造及輕量化應用領域潛力巨大,先進高性能鋁合金依舊是國內急需研究的方向。

隨著近些年我國航空航天領域的飛速發展,我國鋁合金研發和生產水平也得到提高,與世界一流水平的差距也逐漸縮小。但由于我國鋁合金研發起步比發達國家晚約50年,目前我國一部分航空用7×××系鋁合金產品仍然依靠國外進口[13],一些國產鋁合金的均勻性、穩定性以及相關裝備制造依舊存在許多不足,仍然需要研發人員的進一步開發。

2 7X75系列鋁合金及其應用

當前全世界航空制造領域所使用的材料中,鋁合金占比達到70%,其中7×××系鋁合金更是憑借其超高強度的特點占據著主導的地位,表1、表2分別是7X75系列鋁合金成分及幾種應用情況。經過合金成分的優化,采用7X75系列鋁合金制造的飛機零部件不斷增多。

表1 7X75系列鋁合金化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of 7X75 series aluminum alloys(wt/%)

表2 7X75系列鋁合金的特點及其應用情況[14]Table 2 Charateristics and application of 7X75 series aluminum alloy

3 各類元素在7X75系列鋁合金中的作用

3.1 Zn和Mg元素的作用

Zn和Mg元素作為7X75系列鋁合金中的主合金元素,會形成T(Al2Mg3Zn3)相或者η(MgZn2)相,對合金性能具有重要的影響。在一定范圍內,強度和硬度隨著Zn, Mg含量的增加而增加,但同時塑性和抗應力腐蝕能力有下降的趨勢。另外,不同的w(Zn)/w(Mg)也會使合金獲得不同的性能。根據Gruhrl學者的觀點[15],合金中w(Zn)/w(Mg)=2.7～2.9時獲得最佳的綜合性能,也有學者認為當w(Zn)/w(Mg)提高到3.5時,合金獲得良好的綜合性能[16]。但是當w(Zn)超過7.0%時,會造成合金的斷裂韌性和耐蝕性能顯著下降。同時,Mg含量過高會增加合金抗應力腐蝕敏感性。因此,合理設計合金中的Zn,Mg含量和w(Zn)/w(Mg)比值對改善其性能具有重要的意義[17]。

3.2 Cu元素的作用

Cu在7X75系列鋁合金中起到提高沉淀相彌散度、改善晶間結構的作用,進而提高合金的力學性能和腐蝕性能。Cu元素提高合金的抗拉強度、塑性和疲勞強度的主要途徑是通過提高合金過飽和度來實現,在100 ℃～200 ℃之間人工時效過程被加快,同時GP區的穩定溫度范圍也被擴大。另外,η′(MgZn2)相和η(MgZn2)相中溶入的Cu原子可以降低晶界和晶內的電位差,提高合金的抗應力腐蝕能力。但當Cu元素的質量分數大于3.0%時,合金的抗應力腐蝕能力反而變壞[18]。除此之外,隨著Cu含量的增加,合金中S(Al2CuMg)相的體積分數不斷增加,T(AlZnMgCu)相的體積分數急劇下降[19]。

3.3 Cr元素的作用

在7X75系列鋁合金中加入微量的Cr元素,在均勻化退火或者后續塑性變形過程中形成彌散分布的Al18Cr2Mg3相,它能夠阻止合金再結晶的形核和長大,起到細化晶粒的作用,然而,Cr元素會使合金的淬火敏感性提高,導致合金的強度下降[20]。因此,為了獲得最佳的合金化效果,常將Zr、Mn等元素共同添加[21]。

3.4 Fe和Si元素的作用

在實際的工業生產中,會不可避免地在熔煉過程引入微量雜質元素Fe和Si,這些雜質元素會和鋁合金中的元素形成粗大且難溶的化合物Al7Cu2Fe,Al3Fe、AlFeMnSi,Mg2Si等。合金中粗大脆性相的存在導致應力集中的產生,使合金在應力作用下易于斷裂,進而降低合金的塑性。因此,在熔煉過程中需要嚴格控制雜質的含量[21]。

4 7X75系列鋁合金的相組成

7X75系列鋁合金的相組成很復雜,而且冷卻速度的變化及化學成分的波動對相組成有明顯影響。合金在退火狀態的相組成為α、η(MgZn2)、AlMgZnCu(這是一種以金屬間化合物Al2Mg3Zn3為基的固溶體)、S(Al2MgCu)和含有Cr及Mn的相,如果Mg、Cu、Zn的含量比例適當,可以形成T(Al2Mg3Zn3)相。雜質Si對相組成有很大的影響,合金中的Si愈多,從強化相η(MgZn2)和T(Al2Mg3Zn3)中析出Mg形成的Mg2Si就愈多,而在7X75系列鋁合金中Mg2Si實際上是不參與強化的,因此Si含量宜盡量少。雜質Fe既可與Al、Mn形成不溶于固溶體的復雜化合物,也可與Al、Cr形成此類復雜化合物,它們不僅降低合金的熱處理效果,而且降低材料的擠壓效應[6]。

在7X75系列鋁合金中,η(MgZn2)及T(Al2Mg3Zn3)大都沿著固溶體晶間分布,使合金在潮濕大氣中有相當強的晶間腐蝕傾向。加入Mn和Cr后可形成含Mn及Cr的細小的金屬間化合物質點,它們既可沿著晶界分布,也可處于晶內,在固溶體分解時可作為結晶核心,從而在晶粒內部也可以分布著相當數量的MgZn3及Al2Mg3Zn3化合物質點,不但對合金的力學性能有好處,而更主要的是能顯著提高合金抗應力腐蝕開裂的能力[6]。

5 7X75系列鋁合金主要熱處理工藝

7X75鋁合金為可熱處理強化合金,軋制態合金通過固溶熱處理,可回溶強化相回溶至基體中,再通過快速冷卻方式使強化相固溶在基體中,獲得過飽和固溶體。該狀態下合金不穩定,通過時效處理使得強化相細小彌散析出,起到強化作用,同時能夠改善合金的耐腐蝕及抗疲勞性能。

5.1 固溶處理

固溶處理是在較高的溫度(不得超過過燒溫度)下將鋁合金加熱并保溫一定時間,使合金中的可回溶相盡可能完全地固溶到鋁基體中,通過急速冷卻得到過飽和固溶體,再通過軋制等變形處理和時效處理得到性能優良的鋁合金。根據加熱方式的不同,可將固溶處理分為單級固溶、多級固溶、強化固溶等[9]。

鋁合金固溶處理急速冷卻的目的是使基體中的第二相保持過飽和的狀態,為后續時效處理得到盡可能多的沉淀相提供條件。但鋁合金在一個快速降溫的過程中就會產生較大的殘余應力,不利于材料的后續加工應用,因此,冷卻速度的選擇是至關重要的。固溶處理對鋁合金的機械加工性能和實際使用性能有非常大的影響,固溶處理所產生的殘余應力必須通過后續生產加工過程消除[22-23]。

5.2 時效處理

人工時效處理是將鋁合金在高于室溫的溫度下保溫一段時間,使過飽和固溶體脫溶分解,析出新的強化相來提高鋁合金性能的處理方法,是鋁合金熱處理中的關鍵步驟。7075鋁合金在進行時效處理時,過飽和固溶體發生分解,強化相重新析出。首先,溶質原子Mg和Zn析出,富集在某一區域內形成GP區之后發生偏聚。持續保溫,GP區轉化為亞穩態的過渡相η′相(MgZn2),由于這種過渡相很不穩定,所以最終都會轉化為穩定的η相。目前常見的時效工藝有單級時效(T6)、過時效(T7,T76)、回歸再時效(RRA)等。

5.2.1 單級時效

單級時效即峰時效,是目前鋁合金時效熱處理最為常用的一種方式,是將鋁合金在一定溫度下保溫至強度最高的處理方法。7075鋁合金在經過單級時效處理后強度有明顯的提高[23]。峰時效處理后,鋁合金基體內析出細小的彌散的析出相,與基體呈半共格,晶界上則為較粗的連續分布的第二相。連續分布的第二相導致合金容易發生應力腐蝕和剝落腐蝕[24]?？梢酝ㄟ^選擇合適的時效溫度和保溫時間來得到相應組織性能的鋁合金。

劉海江等人對7475鋁合金時效工藝進行了研究,結果表明,對性能有較大影響的因素為單級時效溫度,單級時效溫度的升高帶來屈服強度和抗拉強度的降低,伸長率略微減低,電導率隨溫度升高持續上升,當保溫時間達到12h時,強度達到峰值,而后逐漸降低[25]。

5.2.2 雙級時效

雙級時效可分為兩個階段:第一階段在低溫下時效為預時效;第二階段在高溫下時效,起到穩定化作用。雙級時效后的鋁合金晶界上形成了間斷的大尺寸第二相,這樣的組織使得合金的抗腐蝕能力有很大的提高,但是,強化相在高溫時效過程中長大粗化,一定程度上降低了合金的強度,對合金的塑性和韌性也有一些影響。對7075鋁合金進行二級時效可以明顯提高抗腐蝕性能[26-27],但強度下降。在不斷地研究過程中,美國鋁業公司[28]將雙級時效工藝改進,得到了強度接近T6態的T736工藝。

劉書潭等人研究了7075合金在150 ℃～180 ℃的二級時效溫度下對合金的性能所產生的影響,隨著溫度的提高,合金的強度、硬度均所有下降,但其韌性明顯上升;隨著溫度的提高合金的抗腐蝕性能顯著提高,并且經過雙級時效處理后其殘余應力有明顯的減小[9]。

張曉彧等人研究了7175鋁合金鍛件的雙級時效的影響因素。研究表明,影響合金性能的最主要因素是二級時效的溫度,其次是二級時效的時間和一級時效的時間,一級時效整體影響較小,工藝可設定為110 ℃7 h;隨著二級時效溫度的上升和時間的增加,合金的強度明顯下降,但其伸長率和電導率都有明顯的提高,最佳二級時效制度為174 ℃5.5 h[29]。

程勇勝等人對7475鋁合金的雙級時效的研究顯示,主要影響因素為二級時效溫度,時效時間次之,一級時效設置為115 ℃7 h時,二級時效溫度為165 ℃,二級時效剛開始強度基本已經達到峰值,只是起到補充強化的作用,隨著時間的延長,強度逐漸下降,16 h后趨于平緩,伸長率和電導率隨著時效時間的延長而增長,16 h后不再有明顯變化。應力腐蝕性能雙級時效也明顯好于單級時效[30]。

5.2.3 回歸再時效(RRA)

回歸再時效可以分為三個階段[31],第一階段是在相對較低的溫度下進行預時效,預時效處理后的合金各方面與峰時效狀態相同,基體中產生大量的彌散分布的GP區和η′相(MgZn2),合金的硬度較高。第二階段是回歸處理,即在較高溫度下將合金保溫較短時間,在這個階段初期,基體內一部分尺寸比臨界尺寸小的GP區和η′相在高溫下不穩定,會發生回溶,重新溶解到固溶體中。而另一部分尺寸比臨界尺寸大的GP區和η′相則會長大,在晶界上分布著的連續的第二相也會發生長大和聚集,不再連續分布,此階段鋁合金的組織和性能與二級時效后的合金類似,抗腐蝕性能好但強度有所下降。第三個階段是將合金在較低的溫度下重新進行峰時效處理,這時,合金的晶內重新析出細小而彌散的強化相,其強度也恢復到峰時效處理后的強度,而其晶界上仍然保持著回歸后的特征,回歸再時效工藝與析出過程如圖1所示。合適的回歸再時效工藝制度可以提高鋁合金的抗腐蝕性能,且兼具單級時效后合金較高的強度、硬度和雙級時效后合金的耐腐蝕性能[32-33]。

圖1 回歸再時效工藝及組織示意圖[33]Fig.1 Schematic diagram of regression and reaging process and structure

劉書潭[9]等人對7075鋁合金回歸再時效的研究表明,回歸溫度的升高使得合金中的η′和η相(MgZn2)增多,細小彌散的沉淀相的大量析出使得合金具有良好的綜合力學性能,并且在160 ℃～170 ℃時有較高的屈服強度和抗拉強度?；貧w再時效處理后的合金抗腐蝕性能明顯提高,回歸溫度越高,合金抗腐蝕性能越好,當溫度達到180 ℃后抗腐蝕性能無明顯差異。

目前,7X75鋁合金材料及回歸再時效工藝仍然是各國超硬鋁合金領域的研究重點,但這種處理方法在我國研究的時間尚短,其控制過程復雜,難以實現工業化和實際應用[32]。

6 7X75鋁合金發展前景

隨著航空制造業的迅速發展,我國已經成為全世界最大的鋁合金生產國家,與以往受制于國外先進航空制造技術的情況不同,我國自主研發的C919、ARJ21客機和AG600飛機為國內航空行業帶來了巨大的動力,這不僅是航空制造技術上的突破,更為國內航空鋁材帶來了巨大的市場和良好的發展前景。隨著C919等大飛機的試飛成功,未來我國對高強度鋁合金的需求將進一步擴大,預計未來20年高強鋁合金仍然是航空制造的主要材料,雖然目前我國航空先進鋁合金材料依然大量依賴進口,不能完全滿足國內對航空鋁合金材料的需求,但這也給了國產航空鋁材一個巨大的發展空間,我國航空鋁材即將迎來一個快速增長的時期,國內龐大的需求量和高強鋁合金生產技術的突破成為國內航空鋁材發展的重要動力。近年來國內不斷加大高強鋁合金的研發力度,國內一些鋁加工企業對7X75系列鋁合金進行了較深入的研究,并取得了優異的成果。7X75系列鋁合金作為航空用鋁合金的主要材料,也將迎來巨大的應用市場。

7 結 語

隨著航空航天制造業的飛快發展,我國鋁合金材料的研究及加工技術的發展也十分迅速,作為航空航天制造領域的代表合金,7X75系列鋁合金近些年的基礎研究不斷加深,加工工藝逐漸成熟,優勢得以發揮。為了進一步提升高強鋁合金材料綜合性能,使其發揮更大的作用可從成分設計、熱處理工藝、加工工藝等方面進行創新研究。

目前,世界各國對超硬鋁合金的開發仍是技術重點。由于我國起步較晚,還有一些需要改進的問題。高強、高韌以及低應力腐蝕敏感性仍是超硬鋁合金發展的主要方向。