航空用7075铝合金挤压棒材粗晶环测试分析

王 宇，于桂斌，曹振华，李金龙，刘 欢

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

7xxx系铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，这类合金具有比重小、强度高、加工性能好等优点，被广泛应用于航空航天工业和民用交通工具等[1-2]，如制造飞机机身、机翼梁、机舱壁板等结构件，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料[3-6]。随着现代航空航天事业的发展，对7xxx系铝合金的性能提出了更高的要求，从而促使国内外研究工作者对7xxx系铝合金热处理工艺开展了更加深入的研究[7]。7075铝合金因其具有强度高、抗腐蚀强、良好的机械性能及阳极反应，在航空航天工业上得到了广泛应用[8-9]。本试验通过研究不同厚度粗晶环对7075铝合金挤压棒材电导率和性能的影响，旨在为提高7075铝合金综合性能提供参考[10]。对工艺研究和铝合金加工技术奠定基础[11]。

1 试验材料与方法

本文选用铸锭规格为φ120 mm×470 mm的7075铝合金圆铸锭，其成分见表1。试验选用型材米重0.848 kg/m，型材低倍断面如图1所示。通过880 T挤压机对7075铝合金圆铸锭进行挤压生产，挤压工艺见表2。生产工艺流程为铸锭加热→挤压→淬火→拉伸矫直→成品锯切→人工时效→验收→交货[12]。

表1 7075 合金化学成分(质量分数，%)

表2 挤压工艺参数

图1 棒材断面图

2 试验结果及分析

2.1 低倍组织

分别对7075-T6试样进行金相低倍组织检验，试样编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#。1#、2#、3#为头端，4#、5#、6#为尾端，具体检验过程如下：

把洗削加工好的试样放入20～35 ℃，浓度为15%～25%的NaOH溶液中，腐蚀10～15 min。将试样取出迅速转入流动的清水中冲洗，然后再放入20%～30%的HNO3溶液中。酸洗15 min，除去黑色碱蚀产物达到清洁。将试样取出用流动的清水冲洗干净，进行观察，其低倍组织如图2[13]。试验结果如下：1#试样粗晶环深度为5 mm，同时伴有缩尾产生；2#试样粗晶环深度为2.5 mm；3#试样粗晶环深度为2.0 mm；4#试样粗晶环深度为1.5 mm；5#试样粗晶环深度为1.0 mm；6#试样无粗晶环。1#～6#试样组织中晶粒逐渐变小，1#试样的晶粒最粗大。通过宏观组织检验，粗晶环沿制品边缘，形成粗大再结晶晶粒区。粗晶环深度从尾端向头端逐渐减小，以致完全消失。

(a)1#；(b)2#；(c)3#；(d)4#；(e)5#；(f)6#

2.2 力学性能

选取尺寸200 mm的7075合金T6合金状态的力学性能试样2组，一组为有粗晶环试样，每组6个，编号分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6，粗晶环深度依次为A1>A2>A3>A4>A5>A6。另一组无粗晶环试样，编号分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6。使用日本岛津AG-X100KN型电子万能试验机对其试样进行力学性能检测，试验结果如表3、表4所示。可以看出，用本工艺参数生产的无粗晶环制品力学性能试验数据均满足客户标准要求，有粗晶环试样的屈服强度和抗拉强度随着粗晶环的增大而减小。由此可见，粗晶环在一定程度上降低了力学性能。

表3 有粗晶试样力学性能的对比

表4 无粗晶试样力学性能的对比

2.3 电导率

采用型号SMP-10涡流电导仪(60 kHz)，现场环境条件为20.6 ℃，分别对腐蚀后的试样进行电导率检测。试样编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#。粗晶环深度依次为1#>2#>3#>4#>5#>6#，1#试样粗晶环处晶粒尺寸较大，2#和3#试样粗晶环处晶粒尺寸相差不大，4#和5#试样粗晶环处晶粒尺寸相差不大，6#试样无粗晶环。检测流程如下：开机→连接→校准→测量。当涡流电导仪靠近试样时，其表面出现电磁涡流，由于1#试样表面晶粒较大，晶界面比较广泛，就会改变涡流场的强度及分布，使线圈阻抗发生变化。晶界的有无对电阻率的影响很大，电阻率上升，电导率下降。但是晶界的多少对电阻率的影响较小，电阻率下降，电导率上升。晶界对电阻率的影响主要在于晶界上大量存在的空位、错位及杂质对电子散射的综合效应[14]。试验结果：1#～6#试样的电导率分别为23.84、22.93、22.75、22.59、22.43和22.12 Ms/m。粗晶环单位面积越大，晶界越大，电阻率上升，电导率下降。粗晶环晶粒的数量越多，晶界越多，电阻率下降，电导率上升，但并不明显。

图3 电导率测试照片

3 结论

我国在设计与制造飞机方面虽然取得了突破性的进展，但在飞机材料生产方面仍存在很大差距[15]。试验采用880 T挤压机生产7075铝合金圆铸锭挤压棒材，经检验分析，得出以下结论：

1)通过宏观组织检验，粗晶环沿制品边缘，形成粗大再结晶晶粒区。粗晶环深度从尾端向头端逐渐减小，以致完全消失。

2)用本工艺参数生产的无粗晶环制品的力学性能试验数据均满足客户要求。有粗晶环试样屈服强度和抗拉强度随着粗晶环的增大而减小，粗晶环在一定程度上降低了力学性能。

3)粗晶环单位面积越大，晶界越大，电阻率上升和电导率下降也越大。粗晶环晶粒的数量越多，晶界越多，电阻率下降和电导率上升有变化，但并不明显。