【doc】7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势.doc

7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势/陈小明等?67?7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势陈小明,宋仁国,李杰(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州310014)摘要评述了国内外7xxx系铝合金的研究n.x-业应用概况,讨论了热处理工艺对7xxx系铝合金微观组织与性能的影响,介绍了相关的表征技术.针对目前7xxx系铝合金在研究以及产业化应用中存在的问题,指出实现7xxx系铝合金的高强,高韧以及低应力腐蚀(scc)敏感性将成为今后研究和开发工作的主要方向,并提出了具体的建议.关键词7xxx系铝合金热处理工艺微观组织表征技术中图分类号:tg146.2文献标识码:acurrentresearchstatusanddevelopmenttrendsof7xxxseriesaluminumalloyschenxiaoming,songrenguo,lijie(keylaboratoryofmechanicalmanufactureandautomationofministryofeducation,zhejianguniversityoftechnology,hangzhou310014)abstracttheprogressoftheresearchandapplicationof7xxxseriesaluminumalloysisreviewed.theeffectoftheheattreatmenttechnologyonthemicrostruetureandpropertiesof7xxxseriesaluminumalloysarediscussed,andthecorrespondingcharacterizationtechniqueisintroduced.itwillbethemainresearchaspecttorealizethehigh-strength,thehigh-toughnessandlowsccsusceptibilityof7xxxseriesaluminumalloys.finally,somespecificsuggestionsforthefutureresearchanddevelopmentof7xxxseriesaluminumalloysareproposed,basedontheexistingproblemsinthepresentresearchandapplicatiorlkeywords7xxxseriesaluminumalloys,heattreatmenttechnology,mierostructure,characterizationtechnlque0引言17xxx系铝合金的发展历史7xxx系铝合金包括a1一zn-mg系和ai-zn-mg-cu系合金口,都具有密度低,加工性能好及焊接性能优良等优点.因此,在航空航天工业,车辆,建筑,桥梁,工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用_1.现代工业的飞速发展,对7xxx系铝合金的强度,韧性以及抗应力腐蚀(scr)性能等提出了更高的要求.近年来,新的合金成分设计,已有热处理工艺参数的优化,新热处理工艺的开发以及相关机理的研究等成为7xxx系铝合金研究和开发的重要方向2lo.本文总结了国内外7xxx系铝合金的研究和工业应用的情况,讨论了热处理工艺对7xxx系铝合金微观组织与性能的影响,介绍了相关的表征技术.针对目前7xxx系铝合金在产业化应用中普遍以牺牲强度为代价来降低其应力腐蚀(scc)敏感性的突出问题,指出实现7xxx系铝合金的高强,高韧以及低scc敏感性将成为今后研发的主要方向,并提出了具体的建议,旨在为今后的研发工作提供参考.早在20世纪20年代,德国科学家就研制出a1一zn-mg系合金l_l,但是由于该系合金抗scc性能和抗剥落性能太差而未能得到产业应用.从20世纪3o年代初到二战结束期间,各国在研究中发现cu元素可以提高合金的抗scc性能及综合力学性能,竞相开发了a1一zn-mg-cu系合金,而忽视了对a1一zn-mg系合金的研究.德,美,苏,法等国在alzn-mg-cu系合金基础上成功地开发了7075,b95,b93和d.t.d683等合金】,至今仍广泛应用于航空航天工业,但是在应用中依然不能实现强度,韧性以及抗scc性能的最佳组合.2o世纪50年代,德国公布了具有较好焊接性能的合金a1znmgl和a1znmg2,引起了人们对a1一zn-mg系合金的重视.在此期间,在a1znmgl合金的基础上,美国学者加入了cr,mn,zr等元素,研制出7005和7004合金l1,获得了良好的焊接性能和抗scc性能,被广泛应用于焊接结构,但是合金的工艺性能不是很好,为此日本学者通过降低mg含量和提高zn/mg值研制出zk60和zk61合金,获得了比较好的*国家自然科学基金资助项目(50771093)陈小明:男,1983年生,硕士研究生,主要从事7xxx系铝合金研究e-mail:xiaoming840163.corn宋仁国:男,1965年生,博士,教授,主要从事材料腐蚀与防护研究e-mail:songrghotmail.corn?68?材料导报:综述篇2009年2月(上)第23卷第2期焊接性能和工艺性能,但是强度下降了很多;此外,在同一时期前苏联也研制出了1933,l915合金,但强度偏低.为提高强度,2o世纪7o年代又研制出7020合金,其强度高,可焊接性好ll.此后,人们的注意力又集中到a1一zn-mzcu系铝合金上去了.2o世纪7o年代末80年代初,美国学者先后在7075合金的基础上,为解决工业应用中scc敏感性较高的问题以及满足一些特殊性能的需要,通过调整合金元素的含量,又发展了几种新型合金(7178,7070,7175,7475等).国内对7xxx系铝合金的研发起步较晚.2o世纪8o年代初,东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制a1一zn-mgcu系铝合金.目前产品主要有7075,7175及7050等合金.20世纪9o年代中期,北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制出7a55超高强铝合金,近来又开发出强度更高的7a60合金.而在alzn-mg系铝合金的研制上,国内基本都是仿制,很少自行开发.2热处理工艺对7xxx系铝合金性能的影响热处理的目的就是选择最佳的工艺参数,使合金具有最佳的综合性能或特殊的服役性能.常见的工艺包括:均匀化,固溶处理,时效处理.其中,固溶处理和时效处理对7xxx系铝合金强度,韧性以及抗scc性能的影响较大.2.1固溶工艺对性能的影响合金时效处理之前,先要通过固溶处理以获得过饱和固溶体.固溶处理的目的是使cu,mg,zn或si这类硬化溶质溶入铝基固溶体中,以获得高浓度的过饱和固溶体,为时效热处理作准备.典型的固溶工艺有:单级固溶,强化固溶以及高温预析出.(1)-o级固溶即采取单一的温度和时间进行的固溶处理,它是目前最常用的固溶工艺|1.19_.固溶处理需避免因生成过渡液相而使晶界弱化的过烧现象,这需将固溶温度控制在多相共晶点之下,导致残余结晶相不易完全固溶,从而降低了合金的断裂韧性.因此,单级固溶在工业应用中不能满足人们对材料性能的需求.(2)强化固溶分为3个阶段:在相对较低的温度下保温一段时间,这个阶段的固溶是影响合金力学性能的主要因素;以一定的速度升到一个较高温度;在这个较高的温度下保温一段时间2.逐步升温处理可使极限固溶温度高于多相共晶温度,同时能避免组织过烧,有效强化了残余结晶相的固溶,显着提高了合金的力学性能.因此,强化固溶与单级固溶相比,在不增加合金元素总含量的条件下提高了固溶体的过饱和度,同时减少了粗大未溶结晶相,对于提高时效析出程度和改善抗断裂性能具有积极意义,是提高合金综合性能的一条有效途径.但在工业应中仍存在2个问题:随着温度的升高,合金晶粒逐渐长大,晶粒长大又会导致强度下降;温度的升高也会导致合金中的过剩相逐渐减少,第二相的弥散强化作用降低,从而使合金软化.(3)高温预析出指先在高温下充分固溶,然后在略低于固溶温度下保温,即通过两步固溶来改善晶界和晶内的析出状态,使合金具有良好的综合力学性能,尤其是抗scc性能得到显着提高.此外,还有多级固溶,固溶降温处理.等固溶工艺.2.2时效工艺对性能的影响7xxx系铝合金时效处理的目的是从过饱和固溶体中析出第二相以达到对合金基体的强化作用.析出相的大小,数量和分布等决定了合金的强度,韧性以及scr性能l_1.典型的时效工艺有:峰值时效(t6),双级时效,回归再时效,特种峰时效以及双峰时效2.(1)峰值时效(t6)即一级完全时效,是目前最常见的时效工艺.时效后,合金晶内析出细小的半共格弥散相,晶界分布较粗大的连续链状质点,这种晶界组织对scc和剥落腐蚀十分敏感.合金经过该工艺处理后,虽然强度达到峰值,但抗scc性能较差.因此,在很大程度上限制了其在工业中的应用.(2)双级时效即2个阶段:低温预时效,相当于成核阶段;高温时效,为稳定化阶段.其是目前较为常用的时效工艺.双级时效后合金晶界上分布着断续的粗大沉淀相,这种晶界组织提高了抗scc性能,但基体中强化相同时长大粗化,使合金强度大约下降1o15,同时,也导致了塑性和韧性不同程度的下降.(3)回归再时效即3个阶段:在较低温度下进行峰值预时效,显微组织与上述峰值时效状态的相同;在较高温度下进行短时回归处理,经回归处理后,晶内的又都溶解到同溶体内,晶界上连续链状析出相合并和集聚,不再连续分布.这种晶界组织提高了scr和抗剥落腐蚀性能,但是晶内的溶解大大降低了合金的强度;在较低温度下再时效,达到峰值强度,品内重新析出细小弥散的部分共格相,晶界仍为不连续的非共格析出相.时效后,合金晶内组织与峰值时效的晶内组织相似;晶界组织与双级时效后的晶界组织相似.这种组织综合了峰值时效和双级时效的优点,使合金具有良好的scr性能及强韧性.但是该工艺过程比较复杂,工艺参数较多且难以控制.(4)特种峰时效分为2个阶段:在较低温度下进行峰值预时效,显微组织与上述峰值时效状态的相同;在较高温度下进行短时回归处理.这种时效制度和三级时效相比少了第三阶段.通过合理选择高温回归温度及时间能使合金的强度和韧性同时达到较高的峰值(有人称之为双峰时效).该时效制度的具体工艺参数有待研究以便为实际的工业应用提供有效的参考.(5)双峰时效阎大京等口在研究7475铝合金超长时间时效过程中发现2个时效硬化峰,2个峰的强度相差不大.最近,我们在研究7175铝合金时也发现了类似的现象,并进行了进一步研究,结果发现第二峰的scc敏感性比第一峰低得多一.这样就找到一条在不损失强度的前提下提高scr性能的新思路.在这里,我们把这种超长时间且强度,硬度等性能出现双峰的时效工艺称为双峰时效工艺.其可使合金具有高强,高韧以及高的scr性能,而且工艺参数容易控制.然而,这种新工艺在其他7xxx系铝合金中是否具有普适性及其机理等还有待进一步研究.7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势/陈小明等?69?3沉淀顺序和组织结构4表征技术3.1沉淀顺序7xxx系铝合金的一般沉淀顺序如下:(过饱和固溶体)一偏聚区(或称gp区)一过渡相(亚稳定相)一平衡相.不直接沉淀平衡相的原因是平衡相一般与基体形成新的非共格界面,界面能大;而亚稳定相的脱溶产物往往与基体完全共格或部分共格,界面能小.相变初期新相比表面积大,因而界面能起决定作用,界面能小的相,形核功小,容易形成,所以先形成形核功最小的过渡结构,再演变成稳定相.但是脱溶顺序复杂,并非所有合金沉淀相都一样,根据有关报道_8可知,7xxx系铝合金沉淀过程中相变过程有2种,即:0c(过饱和固溶体)一gp区一(mgzn)(mgzn),a(过饱和固溶体)一gp区一t(al2mg.zn.)一t(al2mg3zn3).之所以这样,笔者认为主要是因为合金zn/mg值的不同而造成.应根据zn/mg值的不同分为2种情况:(1)当zn/mg>2.2时,合金的沉淀过程应该为前者;(27zn/mg2.2时,合金的的沉淀顺序应为后者,因为当zn/mg2.2时合金中不存在(mgzn).当然这也有待于进一步研究取得可靠的证据.3.2组织结构联接工艺与性能的是微观组织,即材料成分确定的条件下,工艺决定微观组织,微观组织决定材料的性能.在7xxx系铝合金中,其基体沉淀相(mpt),晶界沉淀相(gbp)和晶间无析出带(pfz)的形状和特征基本决定了合金的性能ll2-29.通过热处理最佳工艺参数的选择,可使三者达到良好配合,从而使合金具有最佳综合性能.合金的强度主要依赖于mpt,但是到底是由gp区,q相中的1种还是2种共同起作用至今亦无定论3.最近,宋仁国等印发现,当沉淀相为相时,其强韧性以及抗scc性能都高,即综合性能最好.然而,这个结论是否具有普遍性还有待研究.gbp的研究虽然取得了重大进展,但还不是很全面,尚不能定量描述某种gbp的作用.但有一点已经达成了共识,即连续网状分布的gbp对合金的性能最为不利.关于scc敏感性问题,有人认为gbp的结构是抗scc敏感性遭到破坏最重要的影响因素;也有人认为gbp的性质对形变方式有重大影响,进而影响scc敏感性.pfz也是影响合金性能的重要参数,常受到gbp的影响,两个很难截然分开.关于其作用,说法更是不一,甚至相反.有人认为pfz的存在提高了scc敏感性;另一些人认为pfz宽度变化对合金性能影响不大_3.;还有人认为较宽的pfz对合金塑性及scr性能有利,因为其强度较低并优先承受变形.笔者认为对于mpt,gbp和pfz的作用应该具体情况具体分析,通过优化热处理工艺,使之合理配置以获得合金的强度,韧性以及scr性能的最佳组合.各种表征技术的运用大大加深了人们对7xxx系铝合金微观组织的认识,也帮助人们理解了其工艺,组织以及性能之间的关系.表征技术的发展对推动7xxx系铝合金的研发具有积极意义.目前主要的分析技术有透射电镜(tem),x射线衍射(xrd),高分辨电镜技术(hrtem).,金相(om),扫描电镜(sem),能谱(eds),俄歇电子能谱(aes),x射线光电子能谱(xps),二次离子质谱(sims),背散射离子质谱(iss),低能电子衍射(lees),选区电子衍射(sadp)等技术.这些技术都可以应用于7xxx系铝合金的微观组织研究,如宋仁国等利用aes在tem下对7175铝合金在不同时效制度下的晶界mg偏析进行了定量线分析;黄振宝等口.利用sem观察了7a55铝合金的第二相并利用eds进行了定性点分析等.下面介绍的是几项重要的表征技术.(1)tem已经被广泛应用于7xxx系铝合金的微观组织观察,其可以确定组织的几何参量,观察组织的结构和不完整性,如晶界位错墙或网络;也可以通过动态原位观察来研究某些物理过程,如晶界滑移,位错与晶界的交互作用等.它是目前表征7xxx系铝合金mpt,gbp和pfz等组织的重要手段_】.然而tem不足之处在于它对样品的要求极高,制样较为困难,需要经验和技巧.tem是破坏性的,而且通常非常耗时.(2)xrd已经被应用到7xxx系铝合金微观组织的研究中,是一种快速,非破坏性的测试方法.利用xrd可做如下工作:定性物相分析;定量物相分析;点阵参数的精确测定.蹇海根等.利用xrd定量分析了不同固溶状态下的7b04合金物相,并测定了相应状态下mad基体点阵常数.但是,该技术还不能表征低体积分数(小于5)的物相.(3)高分辨电镜技术(hrtem)是通过使几个衍射束参与成像,则可以由相位衬度机制获得原子图像.其可以用来研究合金中原子结构.将其应用于7xxx系铝合金的研究,可以更好地解决微观结构精确分析的技术难题,如对t】(mgz),(mgzn2),t(a12mg3zn.),t(a12mg3z)等难以区分相结构的精确分析.5结语7xxx系铝合金的研究与开发虽然已取得了重要进展,且广泛应用于航空航天等工业中,但是,在产业化应用中仍然存在一个突出的问题,即以牺牲强度,韧性的代价来获得较高的抗scc性能.为了更好地解决这个问题,必须从以下几个方面开展工作:合金成分的合理设计及新型高强,高韧及低scc敏感性铝合金的开发;优化已有的热处理工艺,使mpt,gbp和pfz三者合理配置,从而实现合金性能高强,高韧及低scc敏感性的优化;新热处理工艺的开发及普适性研究,如对双峰时效工艺的研究;沉淀相脱溶顺序的探索及控制,以获得合金最佳的综合性能.我们相信,随着人们对7xxx系铝合金不断深入的研究与探索,必将极大地促进该类材料综合性能的不断优化和应用的推广.?70?材料导报:综述篇2009年2月(上)第23卷第2期1234567891ol1121314151617参考文献潘复生,张丁非.铝合金及应用m.北京:化学工业出版社,2006:59宋仁国.材料导报,2000,14(i):20s()ngrg,zhangqz.jmaterproctechn,2001,1l7:84s0ngrg,zhangqz.matersciengc,2001,c17:133robinsonjs,tannerda.matersciforum,2006,524525:305joachimw1oka,eta1.corrossei,2007,49(3):1437刘晓涛,崔建忠.材料导报,2005,19(3):47tannerda,eta1.materscitechn,2006,22(1):77imamurat.jjpninstlightmet,1999,49(7):302lukasakda,eta1.advmater&processes,199l,1o:46周鸿章,李念奎.铝一2l世纪基础研究与技术发展研讨会论文集(第一分册)q.长沙:中南大学出版社,2002:56林肇琦,孙贵经,许海峰.东北工学院,1981,2:23vasudevanak,dohertyrnaluminumalloyscontemporaryresearchandapplicationc.boston:academicpressinc.1989.27耶拉金bh.国外近代变形铝合金专集m.北京:冶金工业出版社,1984:1l2mat,oudenqnmaterscieng,1999,a266:198黄振宝,等.材料热处理,2007,28(1):87fanghuachan,chenkanghua,zhangzhuo,eta1.transnonferrousmetsocchina,2008,(1):28蹇海根,姜锋,官迪凯,等.材料热处理,2007,28(3):72曾苏民.中国有色金属,1999,9(1):79陈康华.金属,2001,21(6):528林高用,彭大暑,魏圣明,等.金属热处理,2002,27(11):30李春梅,等.轻合金加工技术,2007,35(12):36张新明,游江海,黄振宝,等.稀有金属,2007,31(1):5宋仁国,等.材料热处理,1996,17(2):51阎大京.材料工程,1991(2):15lorimergw.themechanismofphasetransformationsincrystallinesolidslcf.london:instmetals,1968.34lofflerh,eta1.jmatersci,1992,27(7):4772knanom,eta1.materscitechn,1994,10(7):599张勤,崔建忠.材料导报,2002,16(1):61adlerpn.metalltrans,1972,3(2):3191danhnmetalltrans,1983,14a(9):1843parkjk,ardellaj.metalltrans,1984,15a(8):1531华明建.金属,1993,24(1):a41阎大京.材料工程,1993,4(2):13songrg,eta1.actamater,2004,52(16):4727阎大京.材料科学与工艺,1993,1(1):40prasada,eta1.transtms-aime,1979:196戴晓元,等.材料热处理,2007,28(4):59songrg,eta1.j.jmaterscitechn,1998,14:259ashede.scannedimagemicroscopylm1.newyork:academicpress,1980(1-任编辑曾文婷);,0,0;0,0(上接第62页)7owenscomingfiberglasscorporation(usa).processforproducingdispersionstrengthenedpreciousmetalalloys:uk,gb2075553p.198111188田中贵金属工业株式会社.制造氧化物弥散增强的铂材料的方法:中国,cn1383456p.200212049谢自能,熊易芬,钱琳,等.氧化锆含量与弥散强化铂的性能之相互关系j.贵金属,1994,15(1):251o章侨新,张东明,贾世骢.玻纤拉丝漏板材料的强化研究j.材料导报,1995,8(4):2411徐颖,蒋丽娟,李贺军.纳米氧化锆对铂性能的影响j.贵金属,2003,24(3):712李小甫.铂材料的强化及其应用j.有色金属,2004,(3):2113anakakikinzokukogyokk(tokyo,jp).platinummaterialreinforcedbyoxide-dispersionandprocessforproducingthesame:us,6511523p.2003012814秦国义.叠层复合弥散强化铂及铂合金:中国,cn101003192ep.2007072515昆明贵金属研究所.一种氧化物弥散强化铂基复合材料的制备方法:中国,cnlo1058858p.2007102416国内贸易部物资再生利用研究所.一种强化铂材料及其制造方法及用途:中国,cn101139668ep.2008031217theinternationalpreciousmetalsinstitute(ipm).31internationalpreciousmetalconferencec.theintemationalpreciousmetalinstitutebyomnipress,miani,florida,june9,12,200718宁远涛,王永力.几种合金元素