材料学报:锌镁比对7075铝合金淬火速率敏感性的影响

Al-Zn-Mg-Cu合金属于AA7xxx系列铝合金,在铝基合金中强度最高,因此广泛应用于飞机、工业等领域。它们优异的机械性能是通过时效硬化实现的,即从过饱和固溶体(SSSS)中析出纳米级亚稳态相,析出顺序通常为:SSSS→Guinier-Preston(GP)区→η'→η。近年来,低Zn/Mg比的合金引起了相当多的关注,已有研究提出低Zn/Mg比合金的析出顺序是SSSS→GPI区→GPII区→中间相T'→平衡相T-Mg32(Al,Zn)49,证实了低Zn/Mg比的合金更适合增材制造。为了通过时效硬化获得最大强度,固溶后的淬火至关重要。多年来已针对传统合金系统淬火速率进行了大量研究。然而,对于低Zn/Mg比的Al-Zn-Mg-Cu合金的淬火速率敏感性以及伴随的不同析出反应知之甚少。

奥地利莱奥本矿业大学的一项最新研究探讨了Zn/Mg比为0.6的Al-Mg-Zn-Cu合金的淬火速率敏感性,并与Zn/Mg比值高达2.4的传统高强度AA7075合金进行比较。相关论文以题为“Quench rate sensitivity of age-hardenable Al-Zn-Mg-Cu alloys with respect to the Zn/Mg ratio: An in situ SAXS and HEXRD study”发表在Acta Materialia。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117727

本研究所用高Zn/Mg比常规AA7075合金(简称AA7075)由外购板材加工而成,低Zn/Mg比合金(简称Al-Mg-Zn-Cu合金)通过连续铸造和单轴压缩而成。合金进行500℃×20min固溶处理,分别以0.25、1、30、50、100K/s的冷却速率连续冷却。

研究发现,对于低Zn/Mg比的合金,在冷却和随后的退火过程中析出相是T-Mg32(Al,Zn,Cu)49相或其前驱体,而对于具有高Zn/Mg比是η-Mg(Zn,Al,Cu)2相或前驱体。低Zn/Mg比合金中T-Mg32(Al,Zn,Cu)49相的化学成分确定为48.4at.%Al、18.4at.%Zn、31.7at.%Mg和0.7at.%Cu。随着冷却速度的降低,析出相尺寸和体积分数增加。这种淬火诱导增加的析出相体积分数反过来导致在退火过程中细小析出物的体积分数减少。具有高Zn/Mg比的合金显示出比低Zn/Mg比合金高得多的淬火速率敏感性。冷却过程中不发生析出的临界冷却速率对于具有高Zn/Mg比的合金达到100K/s量级,对于具有低Zn/Mg比的合金为1K/s。

1 Al-Mg-Zn-Cu合金和AA7075合金在不同冷却速率下的SEM图

图2 Al-Mg-Zn-Cu合金和AA7075合金的原位HEXRD衍射图

图3 Al-Mg-Zn-Cu合金和AA7075合金的散射曲线

图4 Al-Mg-Zn-Cu合金和AA7075合金连续退火过程中形成的析出相的平均粒径和体积分数

本研究探讨了高和低Zn/Mg比的两种Al-Zn-Mg-Cu合金的淬火速率敏感性。连续退火后,在0.25K/s的冷却速率下,对于低Zn/Mg比的合金,观察到析出相的形成减少。在高Zn/Mg比的合金中,对于≥30K/s的冷却速率,在连续退火过程中析出相的形成似乎没有减少。对于0.25 K/s左右的冷却速率,在退火过程中几乎没有发现析出。在低Zn/Mg比的合金中,在广泛变化的冷却条件下没有淬火诱导的析出,这表明在各种增材制造技术等先进加工技术中具有强大的加工性能。本文为7XXX系合金在先进制造工艺中的应用提供了理论依据。(文:破风)

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