等通道角挤压制备7075铝合金组织及性能研究分析 机械制造专业

《等通道角挤压制备7075铝合金组织及性能研究》摘要：研究了不同时效制度对7075铝合金挤压型材组织和性能的影响，通过力学性能检验、微观组织分析、剥落腐蚀的检验对三种时效制度进行对比，旨在为提高7075铝合金综合性能提供参考。关键词：7075铝合金；时效制度；力学性能；剥落腐蚀；金相组织。通过对7075铝合金进行不同工艺的固溶处理，分析了固溶处理对7075铝合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：利用优化的固溶工艺处理后，可有效减少粗大的第二相尺寸和数量，提高合金元素的固溶过饱和度；采用490℃×2h+130℃×16h工艺处理后，可以明显提高铝合金的力学性能。这类产品的形状特殊、壁厚薄，单位重量轻、公差要求非常严格，通常把这类产品称之为铝合金精密（或超精密）型材（管材），把生产这类产品的技术称之为精密（或超精密）挤压[1]。铝合金特殊精密（或超精密）挤压材的主要特点是：（1）品种多、批量小、多为专用挤压材，其用途几乎遍及到各行各业和人民生活的各个方面，包括所有的挤压产品，如管材、棒材、型材和线材，涉及到各种合金和状态。因其断面小、壁厚薄、重量轻、批量小，一般不易组织生产。（2）形状复杂、外形轮廓特殊，多为异形的、扁宽的、带翅的、带齿的、多孔的型材或管材。单位体积的表面积较大，生产技术难度大。（3）用途广、性能和功能要求特殊。为了满足产品的使用要求，选择的合金状态多，几乎涵盖。沉淀强化7000系列铝合金是所有商用铝合金中强度最高的，广泛应用于军用、民用飞机以及体育用品的结构应用。7000铝合金是由高密度的Guinier-Preston(G-P)区强化的，因为该区域的强原子键可以增加对位错运动的阻力。1,2对于Al-Zn-Mg-Cu7075体系，经过溶液处理后，在低温(如室温)下时效，可以得到高密度的G-P区。冷加工通常能提高金属和合金的强度，但对提高7000系列铝合金的强度效果不明显。目前国内外所生产的扁锭、圆锭和空心锭,几乎都采用半连续铸造,即IX:法。这种铸造方法的装置是由铝熔体分配流槽、流盘、浮标漏斗、结晶器和移动式升降铸造机等部件组成,用以铸造铸锭。由于对铸锭质量提出了严格的新要求,故对传统的直接水冷半连续铸造方法和结晶器进行了相应的改造,开发了绝热模铸造、热顶铸造、横向铸造和电磁铸造并得到了推广应用,具有节能、提高生产率和质量的效果。还相继开发和推广了板带、棒、线的连续铸挤和连续铸轧等新工艺。关键字：7075铝合金；性能研究；国内外研究概况；Microstructureandpropertiesof7075aluminumalloypreparedbyequalchannelAngleextrusionAbsrtact：Theeffectsofdifferentagingsystemsonthemicrostructureandpropertiesof7075aluminumalloyextrudedprofileswerestudied,andthethreeagingsystemswerecomparedbymechanicalpropertytest,microstructureanalysisandpeelingcorrosiontest,soastoprovidereferencesforimprovingthecomprehensivepropertiesof7075aluminumalloy.Keywords:7075aluminumalloy;Limitationsystem;Mechanicalproperties;Exfoliationcorrosion;Metallographicstructure.Theeffectofsolidsolutiontreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesof7075aluminumalloywasanalyzed.Theresultsshowthatthesizeandquantityofcoarsesecondphasecanbereducedandthesolidsolutionsupersaturationofalloyingelementscanbeimprovedbyusingtheoptimizedsolidsolutiontechnology.The490℃by2h+130℃afterx16h,cansignificantlyimprovethemechanicalpropertiesofaluminumalloy.Thiskindofproducthasspecialshape,thickandthinwall,lightweightperunitandstricttolerancerequirements.Generally,thiskindofproductiscalledaluminumalloyprecision(orultra-precision)profile(pipe),andtheproductiontechnologyofthiskindofproductiscalledprecision(orultra-precision)extrusion[1].Themaincharacteristicsofaluminumalloyspecialprecision(orultraprecision)extrusionmaterialare:(1)variety,smallbatch,mostlyforspecialextrusionmaterial,itsusealmostallwalksoflifeandallaspectsofpeople'slives,includingallextrusionproducts,suchaspipes,bars,profilesandwire,involvingavarietyofalloysandstates.Becauseitssectionissmall,wallisthickthin,weightislight,batchissmall,organizeproductionnoteasilycommonly.(2)complexshape,specialcontour,mostlyshaped,flatwide,withwings,withteeth,porousprofileorpipe.Thesurfaceareaofunitvolumeislargeandtheproductiontechnologyisdifficult.(3)wideuse,specialperformanceandfunctionrequirements.Inordertomeettherequirementsoftheuseofproducts,thechoiceofalloystatemore,almostcovered.Precipitation-strengthened7000seriesaluminumalloyhasthehigheststrengthamongallcommercialaluminumalloysandiswidelyusedinthestructuralapplicationsofmilitary,civilaircraftandsportinggoods.The7000alloyisreinforcedbyahigh-densityguinier-preston(g-p)region,wherestrongatomicbondsincreaseresistancetodislocationmotion.1,2foral-zn-mg-cu7075system,aftersolutiontreatment,agingatlowtemperature(suchasroomtemperature),high-densityg-pregioncanbeobtained.Coldworkingusuallyimprovesthestrengthofmetalsandalloys,butnotof7000seriesaluminumalloys.Atpresent,theflatingot,roundingotandhollowingotproducedathomeandabroadalmostadoptthesemi-continuouscasting,namelyIX:method.Thecastingdeviceiscomposedofaluminummeltdistributinggroove,flowplate,buoyfunnel,crystallizerandmobileliftingcastingmachineforcastingingots.Duetothestrictnewrequirementsfortheingotquality,thetraditionaldirectwater-cooledsemi-continuouscastingmethodandthemoldhavebeenmodifiedcorrespondingly,andtheadiabaticmoldcasting,hottopcasting,transversecastingandelectromagneticcastinghavebeendevelopedandappliedwidely.Thenewtechnologyofcontinuouscastingandextrusionandcontinuouscastingandrollingofstrip,barandlinehasbeendevelopedandpopularizedsuccessively.Keywords:7075aluminumalloy;Performancestudies;Researchsituationathomeandabroad;目录1绪论 42铝及铝合金特殊精密挤压材的特点 53铝合金特殊精密挤压材的分类 74国内外铝合金熔铸技术的现状 94.1熔炼技术 94.2铝熔体搅拌 94.3熔体处理技术 104.4铸造技术 114.5测试技术 124.6结束语 145实验内容 145.1试验方法 145.2结果与讨论 155.3结论 2167075铝合金组织及性能的提高 216.17075铝合金性能提升测试 226.27075铝合金性能提升测试结果分析 25参考文献 29致谢 311绪论随着航空工业以及交通运输业的发展，对所用材料轻量化的要求也越来越高。高强高韧性铝合金由于具有质量轻、比强度高、易于加工成型、较好的抗腐蚀性能以及成本低廉等方面的突出优势，受到各国越来越广泛的重视[1-4]。7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系热处理强化型合金。相关研究[5-6]表明，选择合理的固溶温度和保温时间可以提高粗大、难溶相的固溶度，让合金元素更多地溶入基体，通过时效强化，更有利于提高铝合金的性能。本文主要研究7075铝合金的固溶处理工艺，及其对铝合金的显微组织与力学性能的影响，从而为提高7075铝合金力学性能提供最优固溶处理工艺参数。7xxx系铝合金具有高的比强度、良好的韧性以及易于加工等优点。是航空航天领域中的重要材料之--[卜3。。采用T6热处理的7xxx系铝合金具有高的强度，但其耐腐蚀(晶间腐蚀、剥蚀、SCC)性能差，影响其应用的安全可靠性。为提高其耐蚀性能，先后发展了173、T76、T74几种过时效制度。然而。这些过时效虽然改善了合金的抗腐蚀性能，但相应的强度损失了10％～15％。回归再时效(RegressionandRe—Ageing，RRA)是20世纪70年代开始发展的一种热处理工艺，可以使7xxx系铝合金在保持T6状态强度的同时获得接近T7x状态的抗腐蚀能力[451。但通常RRA．r艺中第二级回归处理时间很短，难以实现工、止化应用[61。20世纪80年代初以来，Conform连续挤压技术的实用化以及工业技术发展的需要，小型、超小型型材的挤压得到很快的发展[3]。但由于设备的限制、产品质量的要求以及挤压技术的进步等多方面的原因，在常规挤压设备上生产小型型材仍占较大的比例。图2所示即为常规的分流模的挤压这一类精密型材。为了能够同时在保证合金强度的基础上提高其耐局部腐蚀的性能，CHENeta117,sl、HUANGetal19,IQ开发出了一种新的热处理制度——高温预析出时效。并经研究发现高温预析出时效口f以在保证7A52和7055铝合金强度的同时，提高合金的耐晶间腐蚀和剥落腐蚀性能17-101。目前另外一种新的热处理制度——二次时效(T616)应用于铝合金的热处理中。这是由于金属在腐蚀介质中发生了晶|．口J腐蚀．而剥蚀由晶问腐蚀发展而来。在晶间腐蚀过程中，腐蚀产物堆积于品界，在晶界产生一楔形应力，并最终使合金表层剥离Iq。而T73、RRA和HTPP状态的合金表面受到的腐蚀并没有上述两种状态的合金严重。所以T6和T616两种状态的7075铝合金的剥落腐蚀敏感性要高于，173、RRA和HTPP状态合金的剥落腐蚀敏感性。其中，由图2一a和图2-d对比可以发现T6状态的合金相对与T616状态合金更易发生剥落腐蚀。图3为T6、T73、RRA3种热处理状态的7075这种热处理制度是在普通的T6热处理制度中插入了一段低温长时间保温的过程。使得处理后的合金能够达到在保证其较好力学性能的同时又提高其耐腐蚀性能的要求111-131。7075铝合金广泛应用与航空工业，对其也进行了大量的研究。但是针对于二次时效(T616)和高温颅析出时效(HTPP)对7075铝合金力学性能和耐局部腐蚀性能方面研究的报道却很少。本文则苇点比较研究了不同热处理制度(T6、RRA、T73、T616、HTPP)对7075铝合金力学性能和其耐腐蚀性能的影响．希望对7075铝合金的应用起到推动的作用。2铝及铝合金特殊精密挤压材的特点这类产品的形状特殊、壁厚薄，单位重量轻、公差要求非常严格，通常把这类产品称之为铝合金精密（或超精密）型材（管材），把生产这类产品的技术称之为精密（或超精密）挤压[1]。铝合金特殊精密（或超精密）挤压材的主要特点是：（1）品种多、批量小、多为专用挤压材，其用途几乎遍及到各行各业和人民生活的各个方面，包括所有的挤压产品，如管材、棒材、型材和线材，涉及到各种合金和状态。因其断面小、壁厚薄、重量轻、批量小，一般不易组织生产。（2）形状复杂、外形轮廓特殊，多为异形的、扁宽的、带翅的、带齿的、多孔的型材或管材。单位体积的表面积较大，生产技术难度大。（3）用途广、性能和功能要求特殊。为了满足产品的使用要求，选择的合金状态多，几乎涵盖了从1×××到8×××系的所有合金及几十种处理状态，技术含量高。（4）外形精巧、壁厚很薄，一般在0.5mm以下，有的甚至达到0.1mm左右，每米重量仅为几克到几十克，但长度可达几米，甚至上百米。（5）断面尺寸精度和形位公差要求十分严格。一般来说，小型铝合金精密型材的公差要比JIS、GB、ASTM标准中的特殊级公差还要严一倍以上。一般精密铝合金型材的壁厚公差要求在±0.04mm~0.07mm之间，而超精密铝合金型材的断面尺寸公差可能高达±0.01mm。如电位差计用的精密铝型材重量30g/m，断面尺寸公差范围±0.07mm。织机用的精密铝型材断面尺寸公差为±0.04mm，角度偏差小于0.5°，弯曲度为0.83×L。又如汽车用高精特薄扁管，宽20mm，高1.7mm，壁厚为0.17±0.01mm，24个孔，属于典型的超精密铝合金型材。（6）技术含量高、生产难度大，对挤压设备、工模具、铸坯和生产工艺都有特殊的要求。图1为部分小型精密铝合金型材断面举例。家用电器及五金器具电子通讯及照明照相器材尖端科技，国防军工及汽车交通运输用材图1部分小型（微型）精密（超精密）铝合金挤压材断面3铝合金特殊精密挤压材的分类精密或超精密铝合金挤压材被广泛应用于电子仪器、通讯设备以及尖端科学、国防军工、精密机械仪表、弱电设备、航天航空、核工业、能源电力、潜艇与船舶、汽车与交通运输工具、医疗器械、五金工具、照明照相与电子电器等方面。一般来说，精密或超精密铝合金挤压材可按外形特征分为两大类：第一类是外形尺寸很小的型材。这一类型材亦称超小型型材或微小型材（mini-shape），其外形尺寸通常只有数毫米，最小壁厚单转子提升式小气泡法净化装置;洛阳有色加工设计院研制的小气泡法净化装置等。国内不少铝加工厂还采用了玻璃丝布过滤、陶瓷管过滤、泡沫陶瓷板过滤等。70年代初,美国研制出新的AI一iT一B细化技术,以丝状形式连续加入到炉外流槽的熔体中。仅10多年时间,这项技术得到很大发展,国外有许多公司研究和生产了lA一iT一B细化剂,英国的LSM公司、美国的KBM公司、荷兰的KBM公司等。在国际上在0.5mm以下，单重为每米数克至数十克。由于其微小，通常对其公差要求甚严。例如，断面外形尺寸公差小于±0.05mm。此外，对挤压制品的平直度、扭转度的要求也十分严格[3]。另一类是断面外形尺寸并不很小，但对尺寸公差要求十分严格的型材，或者虽然断面外形尺寸较大，但断面形状复杂而且壁厚很薄的型材。图2为日本某公司在16.3MN卧式油压机上用特种分流模挤压的汽车空调冷凝器异形管（工业纯铝）。这一类型材的挤压成形难度并不亚于前一类超小型型材。挤压断面尺寸较大而对公差要求十分严格的型材，不但需要先进的模具设计技术，而且需要对从坯料至成品整个生产流程的严格管理技术。W16.0×T3.0×4孔；w=16.0mm；T=3mm；δ=0.3±0.05mm；1070合金(b）W16.0×T1.0×21孔；w=16.0mm；T=1.0mm；δ=0.17±0.01mm；1070合金图2汽车空调冷凝器断面形状20世纪80年代初以来，Conform连续挤压技术的实用化以及工业技术发展的需要，小型、超小型型材的挤压得到很快的发展[3]。但由于设备的限制、产品质量的要求以及挤压技术的进步等多方面的原因，在常规挤压设备上生产小型型材仍占较大的比例。图2所示即为常规的分流模的挤压这一类精密型材。模具的寿命（特别是分流桥、模芯的强度与耐磨性）与挤压时的材料流动成为影响其生产的主要因素。这是因为挤压该型材时，模芯的尺寸小、形状复杂，强度与耐磨性是影响模具寿命的重要因素。而模具寿命直接影响生产成本。另一方面，许多精密型材壁厚很薄、形状复杂，挤压过程中材料的流动直接影响型材的形状与尺寸精度。为了防止坯料表面氧化皮膜与油污流入制品内，保证制品质量均匀可靠，可在挤压前将加热到设定温度的坯料进行剥皮（称为热剥皮），然后迅速装入挤压筒内进行挤压。同时应保持挤压垫片干净，防止在一次挤压结束后的切除压余处理至下一次挤压装入垫片的过程中油污脏物粘结到垫片上去。采用金刚石研磨膜(粒径依次为30m、6m、1m、0.1m)，将试样每侧机械研磨至约10m厚，制备TEM和HREM试样。使用Gatan双离子铣削系统(Pleasanton,CA)进一步细化到电子透明的厚度，Ar+加速电压为4kv，液氮用于冷却试样。上述TEM试样制备方法并没有改变原始试样的结构。按断面尺寸精度和形位公差，特殊精度铝合金挤压材可分为特殊精密铝合金型材和小型（微型）超高精密铝合金型材。一般来说，其精度超过国标（如GB、JIS、ASTM等）超高级精度一倍以内的称为特殊精密铝合金型材，如外形尺寸公差在±0.1mm以上，断面壁厚公差在±0.05mm~±0.03mm以内的型材和管材等。而当其精度高出国标超高级精度一倍以上时则称为小型（微型）超高精度铝合金型材，如外形公差严于±0.09mm，壁厚公差严于±0.03mm~±0.01mm的为小型（微型）型材或管材。4国内外铝合金熔铸技术的现状4.1熔炼技术国内在熔炼E艺和设备上多采用燃气炉、燃油炉和电阻加热炉。先进企业在熔炼反射炉l二采用高速烧嘴和燃烧控制装置.如西南铝加工厂采用机械装炉、计芬一机程序控制的熔炼制度.控制合理的燃料、适当空气比例强化燃烧,使熔炼效率有较大幅度的提高。旧外先进企业大都采用机械笑炉、机械或电磁搅拌,计算机控制熔炼工艺和自动分析成分.按合理的燃料和空气比例强化燃烧.利用燃烧余热预热空气和炉料,合理配置烧嘴和炉膛结构,以提高熔化速度和缩短熔炼时问、,」。4.2铝熔体搅拌铝含金的熔炼工艺中最基本的要求之一是化学成分的均匀性。为达此目的,除配料要求外.搅拌方式对某些熔炼工艺参数是有影响的。国内一些企业在小型熔炼炉熔化铝合金时一般多用人工搅拌,中型以上熔炼炉大多采用机械搅拌,近几年来大型炉也有用电磁搅拌的。运行过程证明,采用电磁搅拌获得十分明显的效果,如东北轻合金加工厂在煤气反射炉中采用炉壁式电磁搅拌,在电阻炉中采用炉底式电磁搅拌。(1)国内外常用的几种挽拌方法采用人工搅拌,多用于容量小的熔铝炉或富有劳动力的情况下,它是一种旧工艺和落后方式。目前一般都采用机械搅拌.也有其他形式的搅拌,如金属泵搅拌、真空装置搅拌、吹入气体搅拌、电磁搅拌以及新开发的全自动熔体喷射搅拌装置。(2)各种搅拌方法的比较各种搅拌方法的比较见表!。从丁左l可看出,电磁搅拌效果比较好.熔体温度均匀,搅拌后约3~5分钟熔体温度差平均达到士10C以内。熔体经电磁搅拌。近几年,国内外大多采用系列金属添加剂。70年代初,英国Fosec。铸造工业服务有限公司和Seandinavian冶金有限公司成功地研制了系列金属添加剂,取代中间合金。国内有关单位如中国科学院沈阳金属研究所、北京矿冶研究总院、西南铝加工厂、东北轻合金加工厂等,也研制了铝合金添加剂,添加剂的有关技术指标对比见表24.3熔体处理技术金属内部夹杂、夹渣的不纯物对金属材料的塑性加工性能和最终使用性能有重大影响。因而,熔体在铸造成加工材所用的坯锭之前,必须进行熔体净化处理,以除去熔体中所包含的气体、金属氧化物和非金属夹杂物。熔体的处理技术是提高铝及其合金内部纯洁度的关键。70年代以后,国外除改善了传统的炉内精炼之外,还采用了炉外在线式连续净化方法,其中有以惰性气体为主的混合气体精炼,如美国雷诺公司的麦克库克工厂的三气体精炼;有以气体与固体介质混合型精炼,如日本的FFZ。氮气和熔剂混合精炼装置,英国Foseeo公司“RDU”快速除气装置;有以除渣为主的各种炉外熔体过滤装置,如玻璃丝布、微孔陶瓷管和泡沫陶瓷板过滤等;还有高效连续除气、除渣的净化装置,如英国铝业公司的FILD法,美国铝业公司的469一l型,美国联合碳化物公司的SNIF净化装置,法国彼施涅公司的ALPUR净化装置,美国联合铝业公司的MINT法等。它们与传统的炉内净化工艺相比,具有净化效果好、生产效率高、成本低、不污染环境、可在线连续净化的优点,为熔铸生产自动化创造了条件。国内铝加工工业长期以来一直沿用传统的炉内净化工艺。近几年来引进了一些具有80年代先进水平的净化装置,如东北轻合金加工厂引进了美国联合碳化物公司的T一4型SNIF净化装置,西南铝加工厂引进了美国联合铝业公司的MINT净化装置,华北铝加工厂引进了法国彼施涅公司的ALPUR净化装置等。说明UFG样品中G-P带的演化分数大于CG样品中G-P带的演化分数。CG样品中相的峰值强度略大于UFG样品，这意味着CG样品中相的体积分数大于UFG样品中相的体积分数。HREM可以观察到上述相析出，如图4(a)和图4(b)所示。UFG和CG样品中均存在相干球形G-P区[如图4(a)箭头所示]和半相干板状相[图4(b)]。UFG样品的G-P带密度大于CG样品，与XRD结果一致。实验表明，经ECAP处理的7075铝合金经自然时效处理后，其强度明显高于CG材料。这种强度的增强可能归因于(i)固溶体强化、(ii)晶粒细化强化、(iii)位错强化和(iv)沉淀国内也研制出了国产的新型净化装置,如东北工学院研制的小气泡法、过流精炼和泡沫陶瓷三位一体的净化装置;大连理工大学和华东铝加工厂合作的单转子提升式小气泡法净化装置;洛阳有色加工设计院研制的小气泡法净化装置等。国内不少铝加工厂还采用了玻璃丝布过滤、陶瓷管过滤、泡沫陶瓷板过滤等。70年代初,美国研制出新的AI一iT一B细化技术,以丝状形式连续加入到炉外流槽的熔体中。仅10多年时间,这项技术得到很大发展,国外有许多公司研究和生产了lA一iT一B细化剂,英国的LSM公司、美国的KBM公司、荷兰的KBM公司等。在国际上常用的晶粒细化剂成分是AI一5%iT一1%B。国内不少铝加工厂还是采用传统的晶粒细化方法,即在熔炼炉或静置炉中加入lA一5%iT中间合金;也有一些工厂采用了lA一5%iT一l写B丝进行在线式晶粒细化处理。4.4铸造技术目前国内外所生产的扁锭、圆锭和空心锭,几乎都采用半连续铸造,即IX:法。这种铸造方法的装置是由铝熔体分配流槽、流盘、浮标漏斗、结晶器和移动式升降铸造机等部件组成,用以铸造铸锭。由于对铸锭质量提出了严格的新要求,故对传统的直接水冷半连续铸造方法和结晶器进行了相应的改造,开发了绝热模铸造、热顶铸造、横向铸造和电磁铸造并得到了推广应用,具有节能、提高生产率和质量的效果。还相继开发和推广了板带、棒、线的连续铸挤和连续铸轧等新工艺。现将有关铸造新技术介绍如下:(1)热顶铸造热顶铸造是近年来发展起来的一种新技术,它是使熔体流入绝热储槽(热顶)内向结晶器供料,连续自动润滑,直接水冷铸锭的半连续铸造法。可将单体热顶铸造工艺装备紧密排列在大型铸造机上,用分配流盘同时向各结晶槽供给液流,实现多模铸造。(2)水平连续铸造水平连续铸造亦称横向铸造。这种铸造方法已广泛用于生产小截面圆铸锭和空心铸锭,国内外广泛用此法生产6063合金圆锭,用于挤压铝建筑型材。水平连续铸造装置的主要组成是:一个用绝热材料衬里的中间罐,一组与中间罐连接的水平结晶槽,每一结晶槽备有一铸造用引锭棒。(3)电磁铸造电磁结晶槽半连续铸造法是国内外已工业性应用的新技术。电磁铸造的扁锭可带有弧形边、圆形边和六角边,其横断面尺寸为300X1300毫米、300X1450毫米、300X1700毫米、400x1300毫米、400又一600毫米等规格。西南铝加工厂引进了扁锭电磁铸造技术。他们生产的圆锭直径为150~500毫米。东北轻合金加工厂研制成功了圆锭电磁铸造法,并应用于工业性生产。电磁铸造用结晶槽是由环形结晶槽、水冷挡板、感应器组成[’]。4.5测试技术(1)测氢技术国外大部分铝加工厂采用美国铝业公司的Telegas测氢仪,它代表当代的测氢水平。1986年出产的Telegas测氢仪的技术数据是:测量范围0.05~0.4毫升/100克铝,精度.003ppm,测定时间小于5分钟,实际使用中的标准偏差为0.013毫升/100克铝。近年来,日本住友轻金属公司发明了一种SLM测氢仪,它用一个特种材料制造的探头,直接插入铝熔体中,能连续地测出熔体中的氢含量,该设备仪器用计算机控制,直接显示并打印出测量结果。美国铝业公司近年来又在原来的Telegas测氢仪的基础上进行改造,生产出在线式Telegasl型测氢仪。国内70年代采用美国的惰性气体抽取气样法测氢原理,由东北轻合金加工厂与大连第二仪表厂联合研制出炉前热导气相色谱测氢仪。80年代东北轻合金加工厂和西南铝加工厂都引进了美国的Telegas测氢仪。同时,中国科学院金属研究所开发出“无汞真空套管色谱法”测定铝合金中的氢含量。(2)夹杂物鉴定关于铝中夹杂物的鉴定,目前尚无高效精确的定量分析方法,仅能作定性分析。有的国家采用Alusulsse夹杂试验法,它可定量进行炉前分析,但存在取样是否有代表性问题。用振动减压凝固法o(iln一rFit法)可定量作炉前分析,但精度低。染色渗透试验可测定夹杂物量,但不准确.国内大多数工厂采用断口检查法进行定量检查,但也存在选取的试样是否有代表性的问题。(3)无报探伤技术无损探伤法在国际上通行的有三种:一是X光透射法;二是超声波反射法;三是涡流磁场法。这几种方法国内都已使用。在80年代初,西北铝加工厂对直径200毫米以下、7米长的整根铝合金圆铸锭用超声波水浸自动探伤法进行检查,该设备还通过了冶金部组织的技术鉴定。后来这项技术又扩大到必350毫米实心和必270/(106~140)毫米空心的铝合金整根铸锭的超声波水浸探伤,而且实现了微机程控,1991年由中国有色金属工业总公司组织了技术鉴定。世界铝加工业中最现代化的熔铸车间最近在美国阿拉巴马州雷诺金属公司的李斯特海尔铝薄板厂建成并投入生产6[]。该车间的设计基于铝加工业的发展,采用最新技术,还考虑了现在及将来市场的开发,新车间取代了已有50多年历史的旧熔铸车间。新车间.铸锭的产能为4.55万吨/月,仅用5台熔炼炉取代了旧车间的23台熔炼炉;5台铸造机取代了旧车间的16台铸造机,新车间仅有6台静置炉。熔铸设备是先进的,用圆形熔炼炉代替了矩形熔炼炉,炉膛直径为9.75米,炉顶装料,熔池深0.5米,可容纳109吨铝液,炉膛内装有6个燃烧喷嘴,提供来自蓄热系统预热后的537℃燃烧空气,炉床底部安装有多孔扩散喷头向炉膛内喷射精炼和助熔作用的气体。静置炉6台,是容量各为120吨的矩形炉,可倾斜式,熔池铝液深1.22米,炉底也有多孔扩散喷头喷射精炼气体。熔铸工艺全过程由计算机控制。5台铸造机中4台是电磁铸造法,1台是IX:铸造法,每台能同时铸造6块扁锭、总重达90吨的承载能力。4.6结束语国际上,本世纪末或21世纪初,熔铸技术和装备的发展方向,都将像前节所述最现代化熔铸车间那样的情况发展。国内的熔铸技术,20世纪末以前,在工艺和装备上,高、中档并存,有一部分熔铸工艺和技术装备将达到国外先进水平,但大部分将仍处于70年代的水平,在熔铸技术现代化方面,我们还有许多工作要做。5实验内容5.1试验方法试验所使用的7075铝合金为商业标准2ram厚板材．板材经I占1溶处理后进行不同的热处理(T6、RRA、r173、T616、H‘FPP)。其具体的丁艺如表1。合金经上述热处理后。取变形方向加工成标距为30ram的标准拉伸试验样品。该拉伸i式验在CSS一44100万能电子拉伸机上进行．拉伸速率为2mm／min。晶间腐蚀实验按照GB7998—87标准进行，所用腐蚀介质为3％NaCI+(36％～38％)HCl溶液。腐蚀表面依次经砂纸打磨、抛光、乙醇除油后用蒸馏水清洗。非测试表面(包括侧面)用石蜡密封，晾干。腐蚀开始前，用乙醇擦净测试表而上的油污，在室温下浸入NaOH溶液(10％)中腐蚀5min。取出后用水洗净。再浸入硝酸溶液中至表面光洁．最后，H蒸馏水洗净。按照面容比(<2dm2／L)配好腐蚀溶液后立即放入式样，并放在温度为35℃±2℃的恒温箱中浸泡6h。腐蚀试验结束后，按照腐蚀标准切取部分样品。并将其侧面打磨、抛光后在显微镜下进行晶间腐蚀深度的测定。剥落腐蚀实验根据ASTMG34—79标准f141进行。腐蚀介质为EXCO溶液(pH=O．4)4mol／LNaCI+0．5mol／LKN03+0．1mol／LHN03，腐蚀工作表面依经过砂纸打磨、抛光、丙酮除油、蒸馏水水清洗，非腐蚀面用石蜡密封。将样品在EXCO溶液中连续浸泡48h后．记录腐蚀形貌，评定腐蚀等级。不同时效处理7075铝合金的微观组织采用透射电镜(TEM)进行观察。TEM样品采用25％HN03+75％CH，OH双喷液进行双喷减薄，而后应用TecnaiG220‘FEM脱察合金晶界析出柑分布．为解释7075铝合金晶|．廿J腐蚀敏感性差异．除揭示晶界析出相11相(MgZn：)的分布外。还需阐明与之相应的腐蚀机理及其电化学行为。表l7075铝合金的不同时效制度5.2结果与讨论表2所示为经过不同热处理制度处理后的7075铝合金的力学性能。可以看出，T6、RRA、T616三种状态的7075铝合金的具有较高的强度．而173和HTPP状态的7075铝合金强度相对较低。其中7075一r173铝合金的强度是最低的。表2不同热处理状态下7075铝合金的力学性能抗拉强度舾l／屈服强度／cr0√热处理状态延伸率，6／％MPaMPa3"6559．78504．3614．497173527．93464．5914．58RRA598．22511．7014．38T616563．02507．2715．89HTPP538．39467．4816．67由晶间腐蚀试验结果可以看出。7075铝合金晶间腐蚀敏感性受热处理状态的影响很大。不同热处理状态下7075铝合金典型的平均腐蚀深度和晶间腐蚀形貌如表3和图l所示。与T6状态的7075铝合金相比RRA、T616状态的合金不仅保持T6状态下的强度．而且同时提高了7075铝合金的耐晶间腐蚀能力。而T73和HTPP状态下的7075铝合会．虽然其耐晶间腐蚀能力有所提高，但是处理后的合金强度却有所下降。表3不同热处理状态下7075铝合金的平均晶间腐蚀深度图2所示为不同热处理状态的7075铝合金在EXCO溶液中浸泡48h后的宏观腐蚀形貌。对比发现T6和"I'616状态的样品表面都出现了表面金属起皮、脱落的现象。这是由于金属在腐蚀介质中发生了晶|．口J腐蚀．而剥蚀由晶问腐蚀发展而来。在晶间腐蚀过程中，腐蚀产物堆积于品界，在晶界产生一楔形应力，并最终使合金表层剥离Iq。而T73、RRA和HTPP状态的合金表面受到的腐蚀并没有上述两种状态的合金严重。所以T6和T616两种状态的7075铝合金的剥落腐蚀敏感性要高于，173、RRA和HTPP状态合金的剥落腐蚀敏感性。其中，由图2一a和图2-d对比可以发现T6状态的合金相对与T616状态合金更易发生剥落腐蚀。图3为T6、T73、RRA3种热处理状态的7075图l不同热处理状态下7075铝合金的典型晶间腐蚀形貌图2不同热处理状态的7075铝合金在ENCO溶液中浸泡48h后的宏观腐蚀形貌铝合金晶内的透射电镜照片。7075铝合金主要强化相为晶内的亚稳相Ⅵ’(MgZn2)。T6、173、RRA、H1TrP4种热处理状态的合金品内的饥’相旱弥散分布，且晶粒细小，这与其强度较高是相一致的。r173工艺过程分为两个阶段．第一阶段同T6状态一样经过1200C／16h的时效处理。在这一阶段町以得到如同T6状态一样细小且弥散的11’相。但是在第二阶段165。C／30h的实效阶段．由于其在较高温度长时间保温，促使了第一阶段析出的细小的11’相粗化。也就导致了T73状态的7075铝合金强度并没有T6状态的高。由图4可以看出在HTPP状态的7075铝合金图3不同热处理状态下7075铝合金晶内微观组织形貌图4HTPP状态7075铝合金晶内微观组织形貌图5T616状态铝合金晶内微观组织形貌晶内也可以看到如T6状态晶内一样的11’相，不同的是11’相的密度要明显要低于T6状态合金晶内的1’相密度。另外，在H7rPP状态7075铝合会品内除了上述的1’相以外，还发现了有较半H大的析2I；相存在。通过能谱分析得到，这种粗大的析出卡H的主要成分为Zn、Mg和Cu。HTPP状态的7075钒合金之所以在晶内形成既含有密度较低的11’相有I—J时含有较粗大的析出相的组织．是南于合金存热处理过程中经过了445℃高温处理的过程，这一过程使得晶内的一些平衡相再次形核长大．形成粗大的析出相，合金中溶质原子的减少，导致在后续的120。C时效阶段溶质的过饱和度降低，形成Ⅵ’相的密度也随之降低。这一点与HUANGetalI9‘10l的结果是不同的，这可能与预析出的过程有关，但事实如何仍需大量的研究来定论。图5为T616状态7075铝合金晶内的微观组织形貌可以清新的发现女¨T6状态中·样的11’相，但是比T6状态合金中的Ⅵ’相更为细小，分布更弥散。这是巾丁．T616热处理制度中包含了一段65℃／lOd的低温长时问保温的过程．这使得在第一阶段时效时析出相的形核在这一阶段处于严重的过饱和状态。析出驱动力很大．从而在后续阶段更容易形成细小弥散的11’相I恬l。因此T616状态的7075铝合金要比T6状态的7075铝合金的强度要高。|冬16为173、RRA、HTPP和T616状态下7075铝合金晶界处的透射电镜照片。可以清楚的圈6不同热处理状态下7075铝合金晶界处微观组织形貌看到。与T6状态的7075铝合金晶界处析出相呈连续分布(图略)不同，T73、RRA、HTPP及T616状态的7075铝合金晶界处的11相则呈不连续分布(图6a一图6d)。目前．对于7xxx系铝合金经RRA和T73热处理后品界处的微观组织结构已经做了大量的研究M16-181。经过HTPP处理的7075铝合金晶界处形成不连续分布的析出相。这与在热处理过程巾经历了一段445℃的预析出过程有关。在这个预析出温度下，晶界处会析出一些平衡相，合金经淬火、120％时效处理以后11相会在这些预析出阶段形成的平衡相卜形核生长¨ol。由于在这种近『古I溶温度的预析出温度下，液态会属的过冷度很低．所以在预析出阶段所形成的平衡相的密度也很小．这也就导致经过H7I'PP处理的7075铝合金晶界处的11相呈不连续分布状态。T616状态的7075铝合金晶界处的11相也同样是呈不连续分布的。在1300C+80min预时效阶段品界处析出的连续的11相，经过了650C+240h这段·4·低温长时间的分级时效后会聚集呈条状。而在经历了130。C+80min的二次时效后，品界处的叽相发生了明显的粗化(如图6一d)。在RRA状态的7075铝合金的透射电镜照片中(图6一a)，可以看出品界处的11相周围还存在着较大的空间。虽然T616状态的7075铝合金品界处的条状的11相是呈不连续分布的，但是其所占的体积分数还是大于173、RRA和HTPP状态的铝合会。为了能够解释7075铝合金腐蚀敏感性不同的原冈，除了要了解其晶界处析出相的分布情况外，还要阐明其电化学行为。之前的研究表明㈣J。品界处1相的自腐蚀电位要比其周围铝基体的自腐蚀电位负。其自腐蚀电流比周围铝基体大。这也就表明。11相比铝荩体的腐蚀敏感性高，更容易发生腐蚀。T6状态的7075铝合金晶界处的11相是连续分布的(图略)。凶此在其晶界处的阳极相”相和周围的铝基体之间会肜成电化学反应的活性通道，从而导致其具有很高的晶间腐蚀敏感性。而经过RRA、T73、T616和HTPP处理的7075铝合金晶界处的11相呈不连续分布，无法形成连续的腐蚀通道，使得这几种状态下合金的晶间腐蚀敏感性有所降低。其中RRA状态的7075铝合金晶界处11相之间间距最大，因此其晶间腐蚀敏感性也最低。剥落腐蚀有晶间腐蚀发展而来．在晶间腐蚀的过程中，腐蚀产物堆积于晶界．在晶界产生一楔形应力，并最终使合金表层剥离IoI。因此，通常合金晶间腐蚀敏感性越大，其腐蚀敏感性越高。由此可以解释RRA、T73、T616和HTPP时效处理可以降低7075铝合金的剥蚀敏感性。5.3结论(1)由于445℃预析出过程中预先析出了粗大的相，使得使用HTPP时效处理的7075铝合金内117相的密度较低。经过T616处理的7075铝合金具有较高的析出相密度，这是由于在其时效过程中。经历了一段65℃+240h的低温。长时间多级时效过程。(2)T6状态的7075铝合会晶界处析出相是连续分布的．而T73、RRA、T616和HTPP状态的7075铝合金晶界处析出相则呈不连续分布。(3)与T6热处理状态相比。RRA和T616状态的7075铝合金不仅保持了较高的强度。同时也提高了合金的耐晶问腐蚀和剥落腐蚀的能力。而r173和HTPP状态的7075铝合金虽然提高了合金的耐蚀能力。但是却牺牲了一定的强度。67075铝合金组织及性能的提高沉淀强化7000系列铝合金是所有商用铝合金中强度最高的，广泛应用于军用、民用飞机以及体育用品的结构应用。7000铝合金是由高密度的Guinier-Preston(G-P)区强化的，因为该区域的强原子键可以增加对位错运动的阻力。1,2对于Al-Zn-Mg-Cu7075体系，经过溶液处理后，在低温(如室温)下时效，可以得到高密度的G-P区。冷加工通常能提高金属和合金的强度，但对提高7000系列铝合金的强度效果不明显。这是因为位错对G-P带降水的促进作用不大。在过去的十年中，cqual-channel-angularpressing(ECAP)6被发现通过在体材料中引入超细颗粒结构(UFG)来显著提高机械强度。在7000系列铝合金的沉淀强化中，能否加入ECAP工艺的强化效果是一个值得研究的问题。如果这两种强化效果可以相加，将有可能显著提高7000铝合金的强度，使其在高强度结构应用中更具吸引力。本文选用7075铝合金，采用ECAP与自然时效工艺相结合的方法对其进行了加工。的结果表明，ECAP工艺对7075铝合金的析出相强化具有显著的强化效果。从UFG7075铝合金的微观组织特征(G-P区、晶粒尺寸、位错密度和晶格参数)来了解这两种强化效果。工业用7075铝合金，经溶液处理(480°C,5h)均质，淬火至室温，立即用于ECAP工艺。将试样压入模内，共2道次，槽角相交为90°，外弧角为45°。在bc路线中，工件在相邻的两道工序之间沿纵轴旋转90°。目前的模具结构施加的等效应变(冯米塞斯应变)约为每ECAP通过一次。ecap处理的UFG和初始均质的粗粒(CG)样品在室温下自然老化一个月。拉伸试验采用岛津万能试验机(日本京都)进行。试样被切割抛光成2.0×1.4mm的截面，测量长度为18.0mm，用于拉伸试验。用5个试样对UFG和CG试样进行了应力-应变曲线的拟合。所有试件均以1×10−2mm/s位移速率，拉伸方向平行于纵轴进行试验。x射线衍射(XRD)是在1.8kW工作的Scintagx射线衍射仪(Cupertino,CA)上进行的，配备Cu靶和二级单色仪来选择CuK辐射。-2步长为20.02°，计数时间为10秒的精确扫描为射孔室温。6.17075铝合金性能提升测试在Ar中200℃退火，并作为XRD参比。透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜(HREM)分别在菲利普斯CM30(Potomac,MD)和JEOL3000F(东京，日本)显微镜下，工作于300kv。采用金刚石研磨膜(粒径依次为30m、6m、1m、0.1m)，将试样每侧机械研磨至约10m厚，制备TEM和HREM试样。使用Gatan双离子铣削系统(Pleasanton,CA)进一步细化到电子透明的厚度，Ar+加速电压为4kv，液氮用于冷却试样。上述TEM试样制备方法并没有改变原始试样的结构。UFG和CG试样的典型工程应力应变曲线如图1所示。自然老化的UFG试样比CG试样具有更高的强度。UFG试样的抗拉屈服强度为650MPa，极限强度为720MPa，分别比CG试样(320MPa和530MPa)高约103%和35%。UFG试样的断裂伸长率(8.39%)小于CG试样(20)。51%)。据笔者所知，目前UFG7075铝合金的强度值是文献中7075铝合金的最高值。5为了发现UFG试样的强化原因，采用TEM、HREM、XRD等手段对UFG试样的微观结构进行了分析。图2(a)显示了UFG示例的TEM图。UFG样品由片状颗粒组成，平均长度约430nm，宽度约150nm。UFG试样的晶界呈波状、弥散状，对应高能非平衡晶界构型。此外，在晶粒中还有许多条纹和网状结构。一维HREM图像(由原始HREM图像的傅里叶变换和傅里叶反变换得到)表明这些条纹和图1所示。()UFG和()CG试样的拉伸工程应力-应变曲线，均自然时效1个月。用5个试样对UFG和CG试样进行了应力-应变曲线的拟合。图2所示。(a、b)UFG和(c)CG样品的TEM和HREM图;(b)为原始HREM图像的傅里叶变换和傅里叶反变换得到的一维HREM图像。每个半原子平面的末端，也就是位错线的核心位置，用白色箭头标出。插图为(b)所示正方形面积的放大图。网络对应着高密度的位错，如图2(b)所示。图2(b)中的白色箭头表示每个半原子平面的末端，这是位错线的核心位置。CG试样的等轴晶尺寸约为42m。晶界直而尖，位错密度很低，如图2(c)所示。6.27075铝合金性能提升测试结果分析利用XRD峰展宽法可以计算平均晶粒尺寸和微应变，如表1所示11。UFG样品的XRD计算平均晶粒尺寸约为70±15nm，远小于TEM结果(290±20nm)。这是因为XRD测量的是相干衍射域尺寸，即亚晶粒/位错细胞尺寸。12、13UFG样品平均微应变为0.54±0.04%，明显大于CG样品(0.05±0.02%)。根据晶粒尺寸和微应变，可以估计UFG和CG样品的位错密度。如表I所示，UFG样品的平均位错密度为0.94×1015m−2，明显大于CG样品(0.002×1015m−2)。大量的位错密度平均HREM观察不同地区分别为0.96×1015m−2UFG样本和0.001×1015m−2CG样本,同意XRD的结果,所列在表iUFG的晶格参数和CG7075Al合金,从x射线衍射峰的位置计算,几乎是相同的,等于4.056±0.001。从图2可以看出，除了结构缺陷，UFG和CG样品中还析出了第二相。图3为UFG和CG样品的XRD图谱。除了Almatrix中的Bragg反射外，还出现了约220°的dabroad峰和其他一些弱峰。宽峰响应G-P区，参考文献16验证，其他弱峰来自亚稳六方相，反射指数如图所示。因为XRD样品的面积是一样的在反射过程中，可以比较XRD图谱的强度。从图3可以看出，UFG样品G-P带宽峰的强度大于gsample，说明UFG样品中G-P带的演化分数大于CG样品中G-P带的演化分数。CG样品中相的峰值强度略大于UFG样品，这意味着CG样品中相的体积分数大于UFG样品中相的体积分数。HREM可以观察到上述相析出，如图4(a)和图4(b)所示。UFG和CG样品中均存在相干球形G-P区[如图4(a)箭头所示]和半相干板状相[图4(b)]。UFG样品的G-P带密度大于CG样品，与XRD结果一致。实验表明，经ECAP处理的7075铝合金经自然时效处理后，其强度明显高于CG材料。这种强度的增强可能归因于(i)固溶体强化、(ii)晶粒细化强化、(iii)位错强化和(iv)沉淀表即是优点的列表(y),最终优势(美国),伸长失败〈ef〉,颗粒大小(D)、微应变(〈2〉1/2),位错密度()和晶格参数(A)UFG和CG7075Al合金。XRD计算的晶粒尺寸和微应变的误差分别为15nm和0.04%左右，晶格参数的误差约为0.001A。在反射过程中，可以比较XRD图谱的强度。从图3可以看出，UFG样品G-P带宽峰的强度大于gsample，说明UFG样品中G-P带的演化分数大于CG样品中G-P带的演化分数。CG样品中相的峰值强度略大于UFG样品，这意味着CG样品中相的体积分数大于UFG样品中相的体积分数。HREM可以观察到上述相析出，如图4(a)和图4(b)所示。UFG和CG样品中均存在相干球形G-P区[如图4(a)箭头所示]和半相干板状相[图4(b)]。UFG样品的G-P带密度大于CG样品，与XRD结果一致。实验表明，经ECAP处理的7075铝合金经自然时效处理后，其强度明显高于CG材料。这种强度的增强可能归因于(i)固溶体强化、(ii)晶粒细化强化、(iii)位错强化和(iv)沉淀加强。由于UFG和CGAl基体的晶格参数(固溶图4所示。从矩阵[110]方向观测到的(a)UFG和(b)CG样品的HREM图像。(b)表示半相干板壳相度)相同，可以排除固溶强化。在文献16中，我们验证了晶粒细化强化并不是UFG试样强度增强的主要原因。因此，UFG试样的强度增强主要是由G-P区和位错强化引起的。位错网络和晶粒内、晶界附近或亚晶界的纠缠使位错滑移更加困难。G-P区强原子键和高密度的G-P区能有效地提高位错穿区阻力。XRD和HREM分析结果表明，UFG样品中G-P带和位错的密度大于CG样品。因此，G-P区高密度与位错的协同作用，使UFG7075铝合金的强度显著提高。在文献17、18中，7075铝合金经固溶处理后的室温轧制(厚度减少50%以