《工程科学学报》：半连续铸造7136超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺（北京科技大学）.pdf

工程科学学报，第41卷，第7期：914-921,2019年7月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.7:914-921,July 2019 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.010:htp:/journals.ustb.edu.cm 半连续铸造7136超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺李佳乐)，周成)四，黄旭东)，张志豪)，吕丹) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 3)东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060 ☒通信作者，E-mail:houc@usth.cd.cn 摘要以半连续铸造7136铝合金为研究对象，以铸态组织分析为基础，采用双级均匀化.结果表明：与其他7×××系铝合金相比，7136铝合金铸态组织没有明显的层片状α(A1)+T共晶相的特征，也没有发现S相的存在.基体中的弥散相为微米级的圆形或棒状Mg☑m,相，Mg元素和Zn元素随着液态合金的凝固，在A1基体中以Mg☑n,相的形式析出，为了平衡Mg元素和Zm元素的分配系数，Mg元素和Zm元素从液态向固态迁移，这也是使得晶内Z元素和Mg元素偏高的原因.经过462℃， 24h单级均匀化.残留相大致消除.随着均匀化时间的延长，残留相有减少的趋势，但作用相对较小.经过450℃，24h+470 ℃，24h双级均匀化，差示扫描量热法获取的峰值非常小，晶间除了少量高熔点AL,Cu,Fe相残留，AL,Cu等其他相已基本消除，均匀化效果显著关键词7136超高强铝合金；半连续铸造；Mg☑2相：铸态组织；均匀化热处理分类号TG142.71 Microstructure and homogenization process of semi-continuous casting 7136 ultra high- strength aluminum alloy LI Jia-le,ZHOU Chen',HUANG Xu-dong'),ZHANG Zhi-hao2),LU Dan) 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Northeast Light Alloy Co.LTD,Harbin 150060.China Corresponding author,E-mail:zhouc@ustb.edu.cn ABSTRACT The 7 xxx series aluminum alloy is mainly produced using semi-continuous water-cooled casting with this method, the solidification speed of the alloy is fast,leading to different degrees of dendrite segregation and non-equilibrium eutectic structure in the ingot.This also results in non-uniformity of composition and structure.Further,it adversely affects the subsequent cutting process and comprehensive performance of the alloy.Therefore,ingot homogenization becomes an indispensable and very critical process for the elimination of segregation.There is much research on Al-Zn-Mg-Cu alloys at home and abroad at the present.This research mainly concentrates on alloys such as 7075,7050,7150 and 7055.The content of the main alloying elements of these alloys is mostly around 10%.However,at present,there is not much research on alloy materials with a strength and main alloying element content exceeding 12.5%.The main alloy element content of 7136 aluminum alloy is about 13.5%.In 7136 aluminum alloy,the main alloy element content is high and the cast microstructure characteristics and homogenization treatment conditions are very different from other 7 xxx series aluminum alloys.In this paper,semi-continuous casting 7136 aluminum alloy was taken as the research object,based on the as- 收稿日期：2018-06-27 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300900):NSF℃-辽宁联合基金资助项目(U1708251):东北轻合金有限责任公司铝镁合金材料院士工作站资助项目

工程科学学报,第 41 卷,第 7 期:914鄄鄄921,2019 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 7: 914鄄鄄921, July 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 07. 010; http: / / journals. ustb. edu. cn 半连续铸造 7136 超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺李佳乐1) , 周成1) 苣 , 黄旭东1) , 张志豪2) , 吕丹3) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)北京科技大学新材料技术研究院, 北京 100083 3)东北轻合金有限责任公司, 哈尔滨 150060 苣通信作者, E鄄mail: zhouc@ ustb. edu. cn 摘要以半连续铸造 7136 铝合金为研究对象,以铸态组织分析为基础,采用双级均匀化. 结果表明:与其他 7 伊伊伊系铝合金相比,7136 铝合金铸态组织没有明显的层片状琢(Al) + T 共晶相的特征,也没有发现 S 相的存在. 基体中的弥散相为微米级的圆形或棒状 MgZn2 相,Mg 元素和 Zn 元素随着液态合金的凝固,在 Al 基体中以 MgZn2 相的形式析出,为了平衡 Mg 元素和 Zn 元素的分配系数,Mg 元素和 Zn 元素从液态向固态迁移,这也是使得晶内 Zn 元素和 Mg 元素偏高的原因. 经过 462 益 , 24 h 单级均匀化,残留相大致消除. 随着均匀化时间的延长,残留相有减少的趋势,但作用相对较小. 经过 450 益 ,24 h + 470 益 ,24 h 双级均匀化,差示扫描量热法获取的峰值非常小,晶间除了少量高熔点 Al 7Cu2Fe 相残留,Al 2Cu 等其他相已基本消除, 均匀化效果显著. 关键词 7136 超高强铝合金; 半连续铸造; MgZn2 相; 铸态组织; 均匀化热处理分类号 TG142郾 71 收稿日期: 2018鄄鄄06鄄鄄27 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300900);NSFC鄄鄄辽宁联合基金资助项目(U1708251);东北轻合金有限责任公司铝镁合金材料院士工作站资助项目 Microstructure and homogenization process of semi鄄continuous casting 7136 ultra high鄄 strength aluminum alloy LI Jia鄄le 1) , ZHOU Chen 1) 苣 , HUANG Xu鄄dong 1) , ZHANG Zhi鄄hao 2) , L譈 Dan 3) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Northeast Light Alloy Co. LTD, Harbin 150060, China 苣Corresponding author, E鄄mail: zhouc@ ustb. edu. cn ABSTRACT The 7 伊伊伊 series aluminum alloy is mainly produced using semi鄄continuous water鄄cooled casting with this method, the solidification speed of the alloy is fast, leading to different degrees of dendrite segregation and non鄄equilibrium eutectic structure in the ingot. This also results in non鄄uniformity of composition and structure. Further, it adversely affects the subsequent cutting process and comprehensive performance of the alloy. Therefore, ingot homogenization becomes an indispensable and very critical process for the elimination of segregation. There is much research on Al鄄鄄Zn鄄鄄Mg鄄鄄Cu alloys at home and abroad at the present. This research mainly concentrates on alloys such as 7075, 7050, 7150 and 7055. The content of the main alloying elements of these alloys is mostly around 10% . However, at present, there is not much research on alloy materials with a strength and main alloying element content exceeding 12郾 5% . The main alloy element content of 7136 aluminum alloy is about 13郾 5% . In 7136 aluminum alloy, the main alloy element content is high and the cast microstructure characteristics and homogenization treatment conditions are very different from other 7 伊伊伊 series aluminum alloys. In this paper, semi鄄continuous casting 7136 aluminum alloy was taken as the research object, based on the as鄄

李佳乐等：半连续铸造7136超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺 .915· cast microstructure analysis,using two-stage homogenization.The results show that,compared with the other 7 xxx series aluminum alloys,the cast microstructure of 7136 aluminum alloy has no obvious lamellar Al(Al)+T eutectic phase characteristics,and no S phase exists.The dispersed phase in the matrix is a micron-sized round or rod-shaped MgZn phase.The Mg and Zn were precipitated as MgZn phase in the Al matrix as the liquid alloy solidified.In order to balance the partition coefficients of the Mg and Zn,the two metals converted from the liquid to the solid state,which explained why the Zn and Mg crystal contents were high.After a single stage of homogenization at 462 C,24 h,the residual phase was substantially eliminated.As the homogenization time increased,the residual phase tended to decrease,but the effect was relatively small by this method.After the 7136 aluminum alloy was homogenized for two stages at 450C,24 h and 470 C,24 h.The peak values obtained by differential scanning calorimetry were very small,except for a small amount of high-melting Al,Cu,Fe phase remaining between the crystals.Al,Cu and other phases were basically eliminated and the homogenization effect was significant. KEY WORDS 7136 ultra-high strength aluminum alloy;semicontinuous casting;MgZn,phase;cast microstructure;homogeneous heat treatment 7×××系铝合金(A-Zn-Mg-Cu)是一种超高减少基体中残留的结品相[]，提高合金的塑性和抗强度铝合金具有高强度、高断裂韧性和良好的抗应疲劳断裂性能)]因此对铸态和均匀化组织特征力腐蚀性能1-】，是一种新型的航空轻型高强度结研究对于7136铝合金的性能控制具有重要意义. 构材料3，铝合金在机身的应用范围，主要集中在针对Al-Zn-Mg-Cu合金相的分析已经有大量上下机翼蒙皮、机座、桁架、龙骨架等).对机体结的研究.n、T、S和q被认为是合金中主要出现的品构进行了更大的减重，如7050、7055和7085铝合间相).大部分学者认为，S相是均匀化达到一定金.然而为适应复合材料的挑战，对A-Zn-Mg-Cu 温度时m相转化而来，当Zn质量分数大于8% 合金强度、抗疲劳等性能提出了更高的要求时4]，这种转化变得困难，但关于转变困难的原因在A-Zn-Mg-Cu合金中Zm是一个非常重要尚存在较多争议. 的元素，随Zn元素含量和Zn/Mg质量比值的增加，本文以探究合适的均匀化处理工艺为目的，合金会获得更高的屈服强度以及更好的韧性，从而对7136铝合金铸态组织和均匀化组织的晶间相达到超高强度的要求[6].同时为了保证合金的耐腐种类及转变机理进行了研究与探讨.7136铝合金蚀性能，往往又要配以较高的Cu元素含量).7136 铸态组织中T相(MgZn,)弥散分布在晶内，而Cu 铝合金主合金元素中，Z如元素质量分数大于8%，而元素偏聚于晶界，Zn元素和Mg元素扩散系数较 Zn/Mg质量比在4以上，远远高于7050铝合金(Zn 高，均匀化热处理后，Zn元素和Mg元素在基体得与Mg的质量比约为2.7)，Cu元素质量分数以均匀分布，η相消失，C山元素在晶间形成少量的 2.11%.高合金化的7136铝合金在铸造过程中会高熔点AL,Cu,Fe相. 形成大量的非平衡共品组织，并产生严重的枝晶偏 1实验材料与方法析和区域偏析[].枝晶网状组织使合金的压力加工性能变差，制品的强韧性降低，并增加了各向异性和半连续铸造7136铝合金样品由东北轻合金有腐蚀敏感性[).因此在压力加工前，合金必须进限责任公司提供，采用水冷铜模半连续铸造生产，铸行均匀化处理，其目的是消除枝晶偏析，使合金元素锭规格为中300mm,表1为7136铝合金成分检测结充分溶解且分布均匀，提高合金的时效强化潜力，使果，实验室样品取自铸锭的边部、1/2半径、心部等非平衡共品相溶解，提高合金的热塑性，最大限度地不同部位，尺寸为10mm×10mm×10mm. 表17136铝合金成分（质量分数） Table 1 Composition of 7136 aluminum alloy 牌号 Zn Mg Cu Zr Cr Mn Ti Fe Si 7136 8.4-9.41.8-2.5 1.9-2.5 0.1-0.2 0.05 0.05 0.1 0.15 0.12 实测成分 9.31 2.13 2.11 0.12 <0.01 <0.01 0.018 0.077 0.012 样品先用500号和1000号水磨砂纸进行粗磨，抛光好的样品进行侵蚀，侵蚀剂为Keller试剂（质量然后依次用2000号和3000号水磨砂纸进行细磨. 分数分别为2.5%HNO,、1.5%HC和1%HF).铸

李佳乐等: 半连续铸造 7136 超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺 cast microstructure analysis, using two鄄stage homogenization. The results show that, compared with the other 7 伊伊伊 series aluminum alloys, the cast microstructure of 7136 aluminum alloy has no obvious lamellar Al(Al) + T eutectic phase characteristics, and no S phase exists. The dispersed phase in the matrix is a micron鄄sized round or rod鄄shaped MgZn2 phase. The Mg and Zn were precipitated as MgZn2 phase in the Al matrix as the liquid alloy solidified. In order to balance the partition coefficients of the Mg and Zn, the two metals converted from the liquid to the solid state, which explained why the Zn and Mg crystal contents were high. After a single stage of homogenization at 462 益 , 24 h, the residual phase was substantially eliminated. As the homogenization time increased, the residual phase tended to decrease, but the effect was relatively small by this method. After the 7136 aluminum alloy was homogenized for two stages at 450 益 , 24 h and 470 益 , 24 h. The peak values obtained by differential scanning calorimetry were very small, except for a small amount of high鄄melting Al 7Cu2Fe phase remaining between the crystals. Al 2Cu and other phases were basically eliminated and the homogenization effect was significant. KEY WORDS 7136 ultra鄄high strength aluminum alloy; semicontinuous casting; MgZn2 phase; cast microstructure; homogeneous heat treatment 7 伊伊伊系铝合金(Al鄄鄄Zn鄄鄄Mg鄄鄄Cu)是一种超高强度铝合金具有高强度、高断裂韧性和良好的抗应力腐蚀性能[1鄄鄄2] ,是一种新型的航空轻型高强度结构材料[3鄄鄄4] ,铝合金在机身的应用范围,主要集中在上下机翼蒙皮、机座、桁架、龙骨架等[5] . 对机体结构进行了更大的减重,如 7050、7055 和 7085 铝合金. 然而为适应复合材料的挑战,对 Al鄄鄄 Zn鄄鄄Mg鄄鄄Cu 合金强度、抗疲劳等性能提出了更高的要求. 在 Al鄄鄄Zn鄄鄄Mg鄄鄄 Cu 合金中 Zn 是一个非常重要的元素,随 Zn 元素含量和 Zn / Mg 质量比值的增加, 合金会获得更高的屈服强度以及更好的韧性,从而达到超高强度的要求[6] . 同时为了保证合金的耐腐蚀性能,往往又要配以较高的 Cu 元素含量[7] . 7136 铝合金主合金元素中,Zn 元素质量分数大于 8% ,而 Zn / Mg 质量比在 4 以上,远远高于 7050 铝合金(Zn 与 Mg 的质量比约为 2郾 7 ), Cu 元素质量分数 2郾 11% . 高合金化的 7136 铝合金在铸造过程中会形成大量的非平衡共晶组织,并产生严重的枝晶偏析和区域偏析[8] . 枝晶网状组织使合金的压力加工性能变差,制品的强韧性降低,并增加了各向异性和腐蚀敏感性[9鄄鄄10] . 因此在压力加工前,合金必须进行均匀化处理,其目的是消除枝晶偏析,使合金元素充分溶解且分布均匀,提高合金的时效强化潜力,使非平衡共晶相溶解,提高合金的热塑性,最大限度地减少基体中残留的结晶相[11] ,提高合金的塑性和抗疲劳断裂性能[12] . 因此对铸态和均匀化组织特征研究对于 7136 铝合金的性能控制具有重要意义. 针对 Al鄄鄄Zn鄄鄄Mg鄄鄄Cu 合金相的分析已经有大量的研究. 浊、T、S 和 q 被认为是合金中主要出现的晶间相[13] . 大部分学者认为,S 相是均匀化达到一定温度时浊相转化而来,当 Zn 质量分数大于 8% 时[14] ,这种转化变得困难,但关于转变困难的原因尚存在较多争议. 本文以探究合适的均匀化处理工艺为目的, 对 7136 铝合金铸态组织和均匀化组织的晶间相种类及转变机理进行了研究与探讨. 7136 铝合金铸态组织中浊相( MgZn2 ) 弥散分布在晶内,而 Cu 元素偏聚于晶界,Zn 元素和 Mg 元素扩散系数较高,均匀化热处理后,Zn 元素和 Mg 元素在基体得以均匀分布,浊相消失,Cu 元素在晶间形成少量的高熔点 Al 7Cu2Fe 相. 1 实验材料与方法半连续铸造 7136 铝合金样品由东北轻合金有限责任公司提供,采用水冷铜模半连续铸造生产,铸锭规格为准300 mm,表 1 为 7136 铝合金成分检测结果,实验室样品取自铸锭的边部、1 / 2 半径、心部等不同部位,尺寸为 10 mm 伊 10 mm 伊 10 mm. 表 1 7136 铝合金成分(质量分数) Table 1 Composition of 7136 aluminum alloy % 牌号 Zn Mg Cu Zr Cr Mn Ti Fe Si 7136 8郾 4 ~ 9郾 4 1郾 8 ~ 2郾 5 1郾 9 ~ 2郾 5 0郾 1 ~ 0郾 2 0郾 05 0郾 05 0郾 1 0郾 15 0郾 12 实测成分 9郾 31 2郾 13 2郾 11 0郾 12 < 0郾 01 < 0郾 01 0郾 018 0郾 077 0郾 012 样品先用 500 号和 1000 号水磨砂纸进行粗磨, 然后依次用 2000 号和 3000 号水磨砂纸进行细磨. 抛光好的样品进行侵蚀,侵蚀剂为 Keller 试剂(质量分数分别为 2郾 5% HNO3 、1郾 5% HCl 和 1% HF). 铸 ·915·

·916 工程科学学报，第41卷，第7期态组织的侵蚀时间为12s,均匀化后的组织侵蚀时铝合金半连续铸造铸锭不同部位的组织特点，分别间为14s,差示扫描量热法分析(DSC)采用升温速取铸锭边部、1/2半径和心部三处的样品进行对比率10℃·min-1,从25℃升温到600℃.光学显微镜分析.溶液浇注进入水冷铜模中，边部溶液最先与和扫描电子显微镜用来观察铸态组织和均匀化态组水冷铜模接触，凝固速度快，使得先凝固的α(A)来织.扫描电镜样品用蔡司ZEISS EVO18材料分析扫不及长大，晶粒细小，如图1(a)所示，光学显微镜下描电子显微镜进行呈灰色，边部亮白色组织树枝特点不明显，占比少：而中心组织，距离水冷铜模距离变大，冷却速度变 2实验结果与讨论慢，使得先凝固的α(A)有时间长大，晶粒粗大，如 2.17136铝合金的铸态组织特征及形成机理图1(c)所示，树枝状特点变得明显，枝晶发达：1/2 半连续铸造的过程是：熔炼→浇注→水冷铜模半径处的组织形态特点处于心部和边部之间，如图 (一次水冷)→二次水冷→切断空冷，为了研究7136 1(b)所示. 60m 60μm 60μm 图17136铝合金铸态组织的光学显微分析.(a)边缘：(b)1/2半径：(c)中心 Fig.1 Optical microscopic analysis of the cast microstructure of the 7136 aluminum alloy:(a)edge;(b)1/2 radius;(c)center 图2样品中Cu元素在晶间偏聚，表2能谱数据存在.能谱显示，基体中有弥散分布的Mg☑n2相，其尺显示，如Zn和Mg元素以MgZn2相的形式分布于晶寸为微米级，长为0.9~1.4m,宽为0.4~0.7m 内，半连续铸造7136铝合金铸态组织没有明显的层图3铸态组织线扫描结果表明，在晶界只有C山片状a(A1)+T共晶相的特征，也没有发现S相的元素的偏聚，Zn和Mg元素品内含量高于品界含量， a 120 SE MAG:2000 x HV:20.0 kV WD:10.4 mm 60μm 20m SE MAG:2500 x HV:20.0 kV WD:9.4 mm 图27136铝合金铸态组织扫描电镜分析.(a)中心样品：(b)边部样品 Fig.2 SEM analysis of the cast microstructure of the 7136 aluminum alloy:(a)center of the sample;(b)edge of the sample

工程科学学报,第 41 卷,第 7 期态组织的侵蚀时间为 12 s,均匀化后的组织侵蚀时间为 14 s,差示扫描量热法分析(DSC)采用升温速率 10 益·min - 1 ,从 25 益升温到 600 益 . 光学显微镜和扫描电子显微镜用来观察铸态组织和均匀化态组织. 扫描电镜样品用蔡司 ZEISS EVO18 材料分析扫描电子显微镜进行. 2 实验结果与讨论 2郾 1 7136 铝合金的铸态组织特征及形成机理半连续铸造的过程是:熔炼寅浇注寅水冷铜模 (一次水冷)寅二次水冷寅切断空冷,为了研究 7136 铝合金半连续铸造铸锭不同部位的组织特点,分别取铸锭边部、1 / 2 半径和心部三处的样品进行对比分析. 溶液浇注进入水冷铜模中,边部溶液最先与水冷铜模接触,凝固速度快,使得先凝固的琢(Al)来不及长大,晶粒细小,如图 1(a)所示,光学显微镜下呈灰色,边部亮白色组织树枝特点不明显,占比少; 而中心组织,距离水冷铜模距离变大,冷却速度变慢,使得先凝固的琢(Al)有时间长大,晶粒粗大,如图 1(c)所示,树枝状特点变得明显,枝晶发达;1 / 2 半径处的组织形态特点处于心部和边部之间,如图 1(b)所示. 图 1 7136 铝合金铸态组织的光学显微分析. (a)边缘;(b)1 / 2 半径;(c)中心 Fig. 1 Optical microscopic analysis of the cast microstructure of the 7136 aluminum alloy:(a)edge;(b)1 / 2 radius;(c)center 图 2 7136 铝合金铸态组织扫描电镜分析郾 (a)中心样品;(b)边部样品 Fig. 2 SEM analysis of the cast microstructure of the 7136 aluminum alloy:(a)center of the sample;(b)edge of the sample 图 2 样品中 Cu 元素在晶间偏聚,表 2 能谱数据显示,如 Zn 和 Mg 元素以 MgZn2 相的形式分布于晶内,半连续铸造 7136 铝合金铸态组织没有明显的层片状琢(Al) + T 共晶相的特征,也没有发现 S 相的存在. 能谱显示,基体中有弥散分布的 MgZn2 相,其尺寸为微米级,长为0郾 9 ~1郾 4 滋m,宽为0郾 4 ~0郾 7 滋m. 图 3 铸态组织线扫描结果表明,在晶界只有 Cu 元素的偏聚,Zn 和 Mg 元素晶内含量高于晶界含量, ·916·