第11期 舒文祥等：先进高强韧A一Zn-MgCu合金凝固和均匀化组织及相构成 ·1535· 而难以满足超大厚度(150mm及以上)铝合金结构 热力学计算所得到的等温相图对合金成分设计和加 件对强度和韧性的要求0.Alcoa公司于2002年开 工工艺制定有非常重要的参考价值.因此，采用热 发的当前最先进的高强、高韧和低淬火敏感性7085 力学模拟与实验相结合的方法来探索和分析当前先 铝合金已成功应用于空客A380客机机翼部分的超 进高强韧A-Zn-MgCu合金在凝固过程中的相转 大型内中心梁(inner centre spar).该合金锻件在 变及其在典型工业均匀化热处理下的相构成，对促 51~305mm厚的范围内，强度和韧性并不随厚度增 进新合金的自主开发具有实际意义. 加而明显降低回，这一独特的性能源于其高Z、低 Mg和低Cu的成分设计.同样，Cous公司于2005 1实验 年开发了7081铝合金，该合金的综合性能可满足 本实验所用高强韧铝合金铸锭的成分见于 17~280mm厚板材的应用要求，实现以一种高性能 表1.从表1可看出实验所用B合金Mg的质量 铝合金取代飞机上种类繁多的2xx、6xx和7xx铝 分数(1.77%)略低于标准7081铝合金中Mg的 合金的组合应用，可提高飞机的燃油效率和飞行性 质量分数下限(1.8%)，铸锭尺寸约为210mm× 能，并降低生产和维护成本.与7085合金类似， 120mm×100mm.实验所用合金铸锭中杂质元 7081合金成分较7075、7050等传统7xxx铝合金具 素Fe和Si的质量分数分别低于0.02%和 有更高Zn含量以及较低的Mg和Cu含量，在152~ 0.01%,较低的杂质元素含量有利于研究主合金 177mm厚的应用条件下7081-T7451具有与7085- 元素对凝固路径的影响及其在凝固组织中的分 T7451相当的强韧性B- 布，同时也有利于提高合金的力学性能.铸态及 一般来说，合金凝固路径的分析与理解直接影 均匀化态合金分析所用试样取自铸锭厚度的1/4 响合金成分设计与后续加工工艺制定，而且合金在 处，试样尺寸约为12mm×12mm×12mm.将上 凝固过程中发生的复杂相转变可能会使组织和性能 述试样以30℃·h-的速率加热到均匀化温度 的预测由于一些不确定性因素而变得更加困 460℃并保温24h以模拟工业均匀化热处理，随 难B-.另外，A-Zn-Mg-Cu合金在工业热处理（均 后将均匀化处理后的试样从炉中取出并迅速淬 匀化和固溶处理)温度范围（约450~475℃）内，由 火以获得高温处理后的显微组织 表1实验用合金的化学成分 Table 1 Chemical composition of alloys used in this study 质量分数/% 质量比 合金 Zn Mg Cu 的 Fe Zn/Mg Cu/Mg A 7.43 1.55 1.66 0.11 0.02 <0.02 <0.01 4.79 1.07 B 7.44 1.77 1.52 0.12 0.02 <0.02 <0.01 4.20 0.86 铸态合金相转变温度及反应焓采用差示扫描量 品界分布的白色区域为非平衡共品相，另外在品内 热法进行分析，所用设备型号为TA2910,试样直径 也发现有非平衡共晶相的零散分布.进一步观察发 约3mm,质量约10mg,加热速率为10℃·min-1,测 现，铸态A合金中出现的灰色相（图1(c))在铸态B 试温度区间为室温至550℃.另外，利用10mg高纯 合金中并未出现（图1(d)).从表2可看出，图1中 铝试样测试获得差示扫描量热曲线的基线.合金的 白色相B和C含有Al、Zn、Mg和Cu元素，其成分接 显微组织和相分析采用ZEISS LE01450扫描电镜 近Mg(Zn,Al,Cu),(c)相的平衡浓度m.一般来 及其能谱仪附件进行.X射线衍射分析在Rigaku 说，Mg(Zn,Al,Cu),相源于二元MgZn,相中Zn在 DMAx-RB型X射线衍射仪上进行.采用“Pandat'”和 MgZn2晶格中的位置被A1和Cu所取代，这种四元 “Factsage”软件来计算Al-Zn一Mg一Cu合金的凝固 相广泛存在于铸态Al-Zn一Mg-Cu合金中，下文中 过程及等温平衡相图 的X射线衍射和差示扫描量热分析的结果将进一 步证实图1中的白色相为σ相.图1中区域D的成 2结果和讨论 分分析给出的是（α(A1)+σ）共晶组织的平均成 2.1铸态组织及相构成 分.从表2可见其Zn、Mg和Cu的原子数分数约为 图1(a)和(b)分别为铸态A和B合金显微组 上述σ相的1/2，这种差异源于能谱分析过程中基 织的背散射图像.其中黑色区域为α（A)基体，沿 体a(Al)对共晶区Al含量的贡献.表2也表明图1第 11 期 舒文祥等: 先进高强韧 Al--Zn--Mg--Cu 合金凝固和均匀化组织及相构成 而难以满足超大厚度( 150 mm 及以上) 铝合金结构 件对强度和韧性的要求［1］． Alcoa 公司于 2002 年开 发的当前最先进的高强、高韧和低淬火敏感性 7085 铝合金已成功应用于空客 A380 客机机翼部分的超 大型内中心梁( inner centre spar) ． 该合金锻件在 51 ～ 305 mm厚的范围内，强度和韧性并不随厚度增 加而明显降低［2］，这一独特的性能源于其高 Zn、低 Mg 和低 Cu 的成分设计． 同样，Corus 公司于 2005 年开发了 7081 铝合金，该合金的综合性能可满足 17 ～ 280 mm 厚板材的应用要求，实现以一种高性能 铝合金取代飞机上种类繁多的 2xxx、6xxx 和 7xxx 铝 合金的组合应用，可提高飞机的燃油效率和飞行性 能，并降低生产和维护成本． 与 7085 合 金 类 似， 7081 合金成分较 7075、7050 等传统 7xxx 铝合金具 有更高 Zn 含量以及较低的 Mg 和 Cu 含量，在 152 ～ 177 mm 厚的应用条件下7081--T7451具有与 7085-- T7451 相当的强韧性［3--4］． 一般来说，合金凝固路径的分析与理解直接影 响合金成分设计与后续加工工艺制定，而且合金在 凝固过程中发生的复杂相转变可能会使组织和性能 的预测由于一些不确定性因素而变得更加困 难［5--6］． 另外，Al--Zn--Mg--Cu 合金在工业热处理( 均 匀化和固溶处理) 温度范围( 约 450 ～ 475 ℃ ) 内，由 热力学计算所得到的等温相图对合金成分设计和加 工工艺制定有非常重要的参考价值． 因此，采用热 力学模拟与实验相结合的方法来探索和分析当前先 进高强韧 Al--Zn--Mg--Cu 合金在凝固过程中的相转 变及其在典型工业均匀化热处理下的相构成，对促 进新合金的自主开发具有实际意义． 1 实验 本实验所用高强韧铝合金铸锭的成分见于 表 1． 从表 1 可看出实验所用 B 合金 Mg 的质量 分数( 1. 77% ) 略低于标准 7081 铝合金中 Mg 的 质量分数下限( 1. 8% ) ，铸锭尺寸约为 210 mm × 120 mm × 100 mm． 实验所用合金铸锭中杂质元 素 Fe 和 Si 的质量分数分别低于 0. 02% 和 0. 01% ，较低的杂质元素含量有利于研究主合金 元素对凝固路径的影响及其在凝固组织中的分 布，同时也有利于提高合金的力学性能． 铸态及 均匀化态合金分析所用试样取自铸锭厚度的 1 /4 处，试样尺寸约为 12 mm × 12 mm × 12 mm． 将上 述试样 以 30 ℃·h － 1 的速率加热到均匀化温度 460 ℃ 并保温 24 h 以模拟工业均匀化热处理，随 后将均匀化处理后的试样从炉中取出并迅速淬 火以获得高温处理后的显微组织． 表 1 实验用合金的化学成分 Table 1 Chemical composition of alloys used in this study 合金 质量分数/% 质量比 Zn Mg Cu Zr Ti Fe Si Zn /Mg Cu /Mg A 7. 43 1. 55 1. 66 0. 11 0. 02 ＜ 0. 02 ＜ 0. 01 4. 79 1. 07 B 7. 44 1. 77 1. 52 0. 12 0. 02 ＜ 0. 02 ＜ 0. 01 4. 20 0. 86 铸态合金相转变温度及反应焓采用差示扫描量 热法进行分析，所用设备型号为 TA2910，试样直径 约 3 mm，质量约 10 mg，加热速率为 10 ℃·min － 1，测 试温度区间为室温至 550 ℃ ． 另外，利用 10 mg 高纯 铝试样测试获得差示扫描量热曲线的基线． 合金的 显微组织和相分析采用 ZEISS LEO 1450 扫描电镜 及其能谱仪附件进行． X 射线衍射分析在 Ｒigaku DMAX-ＲB 型 X 射线衍射仪上进行． 采用“Pandat”和 “Factsage”软件来计算 Al--Zn--Mg--Cu 合金的凝固 过程及等温平衡相图． 2 结果和讨论 2. 1 铸态组织及相构成 图 1( a) 和( b) 分别为铸态 A 和 B 合金显微组 织的背散射图像． 其中黑色区域为 α( Al) 基体，沿 晶界分布的白色区域为非平衡共晶相，另外在晶内 也发现有非平衡共晶相的零散分布． 进一步观察发 现，铸态 A 合金中出现的灰色相( 图 1( c) ) 在铸态 B 合金中并未出现( 图 1( d) ) ． 从表 2 可看出，图 1 中 白色相 B 和 C 含有 Al、Zn、Mg 和 Cu 元素，其成分接 近 Mg( Zn，Al，Cu) 2 ( σ) 相的平衡浓度［7］． 一般来 说，Mg( Zn，Al，Cu) 2 相源于二元 MgZn2 相中 Zn 在 MgZn2晶格中的位置被 Al 和 Cu 所取代，这种四元 相广泛存在于铸态 Al--Zn--Mg--Cu 合金中，下文中 的 X 射线衍射和差示扫描量热分析的结果将进一 步证实图 1 中的白色相为 σ 相． 图 1 中区域 D 的成 分分析给出的是( α( Al) + σ) 共晶组织的平均成 分． 从表 2 可见其 Zn、Mg 和 Cu 的原子数分数约为 上述 σ 相的 1 /2，这种差异源于能谱分析过程中基 体 α( Al) 对共晶区 Al 含量的贡献． 表 2 也表明图 1 · 5351 ·