分享：预时效-温成形工艺参数对7075铝合金组织与性能的影响

0.   引言

近些年,轻量化一直是汽车行业的研究热点[1]。汽车结构质量每减轻10%,燃油消耗可降低6%~10%,尾气排放量可减少4%[2-5],基于节能和环保的需求,轻量化对于汽车的发展具有重大意义。铝合金具有比强度高、易加工等优点,广泛应用于汽车轻量化发展,常用的铝合金包括5083、6061、7075铝合金等[6]。高强铝合金在室温下的断后伸长率较低,成形时回弹难以控制,容易出现破裂,成形性较差[7]。相比室温成形,热成形可以提高材料塑性,改善成形性能。传统的热成形工艺一般将板料加热到固溶温度,保温一段时间后降到一定温度进行冲压成形,成形以后进行淬火,最后进行时效处理；其工序繁多,时效时间过长,且难以保证成形精度。已有研究表明通过化学成分调整[8]、时效工艺优化[9]等方法可以缩短时效时间,提高生产效果。此外,采用预时效-温成形工艺也可以有效缩短时效时间以及降低成本。预时效-温成形在材料固溶淬火后,增加一道低温预时效处理,再在一定温度成形。作者对7075-T6铝合金进行了不同预时效温度、预时效时间、成形温度的预时效-温成形处理,研究了工艺参数对合金组织和性能的影响,确定了最佳工艺参数。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为7075-T6铝合金板,市售,厚度为2 mm,化学成分（质量分数/%）为5.2Zn,2.3Mg,1.5Cu,0.13Fe,0.03Si,0.18Mn,0.2Cr,余Al；抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和硬度分别为557.05 MPa,488.62 MPa,13.5%,174 HV。铝合金的预时效-温成形工艺如下：切取尺寸为300 mm×200 mm×2 mm的试样,加热至480 ℃保温30 min固溶,水淬,再分别进行85,100,120 ℃保温0~32 h的预时效处理,将预时效后的试样分别升温至150,200,250,300 ℃,保温3 min进行成形。为模拟汽车制造最后一步的烤漆硬化处理,对成形试样进行180 ℃×30 min的烘烤处理。 

在预时效-温成形试样上采用线切割取样并进行镶样,依次使用200#~5 000#砂纸进行水磨,抛光至表面无划痕,使用凯勒试剂腐蚀,采用DS-300型光学显微镜观察显微组织并统计晶粒尺寸。根据GB/T 228.3—2019,制取如图1所示的拉伸试样,在英斯特朗3382型拉伸试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为3 mm·min−1,采用的引伸计长度为30 mm。采用SU-5000型扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌。采用HVS-50型维氏硬度计测试显微硬度,载荷为98 N,保载时间为10 s,测7个点取平均值。 

图  1  拉伸试样的尺寸

Figure  1.  Size of tensile specimen

2.   试验结果与讨论

2.1   对组织的影响

在时效过程中,7075铝合金会依次析出过饱和固溶体、GP区、η´相、η相[10-13]。由图2可见：85 ℃下预时效不同时间并在150 ℃下温成形后7075铝合金的晶粒尺寸相差不大,这说明预时效时间对晶粒尺寸的影响不大；随着预时效时间延长,基体中析出相的数量增多,当预时效时间为24 h时,成形合金中的析出相数量较多,晶粒尺寸最小,大量的η´相分布在基体中。由图3可见,相比预时效温度为100,120 ℃时,85 ℃下预时效24 h-温成形后产生析出相的数量较少,尺寸较小。 

图  2  85 ℃下预时效不同时间并在150 ℃下温成形后7075铝合金的显微组织与晶粒尺寸

Figure  2.  Microstructures and grain size of 7075 aluminum alloy after pre-aging at 85 ℃ for different times and warm forming at 150 ℃

图  3  不同温度下预时效24 h并在150 ℃下温成形后7075铝合金的显微组织

Figure  3.  Microstructures of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for 24 h and warm forming at 150 ℃

2.2   对性能的影响

由图4可见,随着预时效时间延长,预时效-温成形7075铝合金的硬度和强度均先增加后减小。这主要是因为固溶淬火后合金中的析出相以GP区为主,在预时效处理过程中,随时效时间延长,GP区成为η´相形核的核心并逐渐转变为η´相,GP区和η´析出相的数量不断增加并在预时效24 h后达到峰值,η相数量相对较少,析出强化导致材料的硬度和强度提升；预时效一定时间后,发生过时效,η´相转变为稳态的η相,GP区和η´相发生粗化,导致材料性能下降[13]。随着预时效温度上升,7075铝合金的硬度和强度增大,这是因为较低预时效温度下析出的GP区数量较少；相比预时效温度100,120 ℃下,预时效温度85 ℃下的断后伸长率较高,这是因为较低温度下预时效析出的第二相尺寸较小。 

图  4  不同温度预时效不同时间并在150 ℃下温成形后7075铝合金的力学性能

Figure  4.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃: (a) hardness; (b) tensile strength; (c) yield strength and (d) percentage elongation after fracture

由图5可见,在85 ℃预时效24 h并在150 ℃下温成形后7075铝合金的拉伸断口中的韧窝数量最多,深度最大,且穿晶断裂占比较高,说明该条件下成形的合金塑性较好、强度较低。断口形貌所得结论与性能测试结果吻合。综合考虑,最佳预时效工艺参数为预时效温度85 ℃,预时效时间24 h,在该条件下预时效并在150 ℃下温成形后合金的综合性能优异,抗拉强度达到528 MPa,接近T6态的95%,断后伸长率高达22.03%,相比T6态提升了63%。 

图  5  不同温度下预时效不同时间并在150 ℃下温成形后7075铝合金的拉伸断口形貌

Figure  5.  Tensile fracture morphology of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃

由图6可见：经85 ℃×24 h预时效后进行温成形,随着温成形温度升高,7075铝合金的硬度和强度均减小,当成形温度为150 ℃时,硬度和强度均最大。温成形加热保温时间均仅为3 min,较短,析出相没有足够的时间进行转化,但升高温度会促进η´向η相的转化以及η相的粗化,因此,150 ℃下成形时保留了较多的η´相,而η相成为较高温度下的主要析出相。较高温度成形时产生的较多η相和析出相的粗化,导致了性能的下降。 

图  6  85 ℃×24 h预时效并不同温度下温成形后7075铝合金的力学性能

Figure  6.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after 85 ℃×24 h pre-aging and warm forming at different temperatures : (a) hardness and (b) strength and percentage elongation after fracture

综上,最佳预时效-温成形工艺参数为预时效温度85 ℃,预时效时间24 h,成形温度150 ℃。最佳预时效-温成形工艺参数下,烘烤前后7075铝合金的抗拉强度分别为528.91,544.23 MPa,屈服强度分别为403.86,448.26 MPa,断后伸长率分别为22.03%,16.52%。在预时效-温成形后进行烘烤处理,可以提高铝合金强度,但略微降低了其塑性。推测强度的提升是因为烘烤后已溶解的GP区和η´相重新析出。 

3.   结论

（1）随着预时效时间延长,预时效-温成形后7075铝合金晶粒尺寸无明显变化,析出相数量增多；相比预时效温度为100,120 ℃时,预时效温度为85 ℃时析出相的数量较少,尺寸较小。 

（2）随着预时效时间延长,预时效-温成形后7075合金的硬度和强度均先增加后减小；相比预时效温度为100,120 ℃时,预时效温度为85 ℃时硬度和强度较大,断后伸长率较小；随着温成形温度升高,硬度和强度均减小。最佳预时效-温成形工艺参数为预时效温度85 ℃、预时效时间24 h、温成形温度150 ℃,此时合金综合性能最佳,抗拉强度达到528 MPa,接近T6态的95%,断后伸长率高达22.03%,相比T6态提升了63%。 

（3）对预时效-温成形铝合金进行180 ℃×30 min的烘烤处理可以提升强度,但会降低塑性。

文章来源——材料与测试网