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    工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組 織性能與生產應用

    中國有色金屬報2019/07/05 09:23:36

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    鋁道網】2018年12月26日,為進一步做好重點新材料首批次應用保險補償試點工作,工信部發布了《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2018年版)》的通告。通告表示,該目錄自發布之日起實施,原《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2017年版)》(工信部原(2017)(68號)同時廢止。

    列入示范目錄的8種鋁材是:7050合金大規格預拉伸厚板、7B50合金大規模預拉伸板、含Sc鋁合金加工材、航空支撐骨架用型材、耐損傷鋁合金預拉伸板、高性能車用鋁合金薄板、Al-Si-Sc焊絲、鋁-鋰合金焊絲。

    此外,在目錄中還收錄了2種鎂材、8種鈦材、2種材,多種有色金屬復合材料、高溫合金及有色金屬新材料。

    7050合金

    7050合金是一種美國合金,1971年在美國鋁業協會公司注冊,注冊成分(質量%):0.12Si、0.15Fe、2.0Cu~2.6Cu、0.10Mn、1.9Mg~2.6Mg、0.04Cr、5.7Zn~6.7Zn、0.06Ti、0.08Zr~0.15Zr,其他雜質單個0.05、總0.15,其余為Al。它是一種第三代Al-Zn-Mg-Cu系合金,中國標準GB/T 3190已將此合金納入,所以它既是一種廣為應用的國際合金,也是一種納入中國國家標準的合金。

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    7050合金是一種Al-Zn-Mg-Cu系的高強度可熱處理強化的變形鋁合金,又稱超硬鋁,可生產厚板、型材、鍛件和線材等,不用于軋制薄板。與第 一個該系合金7075的成分比較,增加了、銅含量,增大了鋅鎂比,并用鋯取代鉻作為晶粒細化劑,增加了鋅、銅含量,增大了鋅鎂比,并用鋯取代鉻作為晶粒細化劑,而大大減少了鐵、硅含量。由于這些成分的改進以及采用過時效處理,使7050合金在保持較高強度水平下,具有韌性好、疲勞強度高與淬火敏感性低特點。

    成分的優化與組 織

    7050合金是在鋁-鋅-鎂系合金的基礎上發展起來的。要提高合金的強度,只有提高鋅和鎂的濃度,但Zn+Mg的含量≥(8~9)%以后,強度雖然可以提高到600N/mm2以上,而塑性和抗應力腐蝕性能卻強烈下降,失去了使用價值。后來發現銅能有效改善高濃度鋁-鋅-鎂合金的塑性和抗蝕性,特別是鉻能顯著提高抗應力腐蝕性能以后,鋁-鋅-鎂-銅系合金才得到發展,也為7050合金的誕生創造了條件。

    由Al-Zn-Mg-Cu系相圖可知,工業用此類合金的主要相組成為α+η(MgZn2)+T(Al2Mg3Zn3)+S(Al2CuMg),但因Cu含量不同而稍有變化。當含(5%~7%)Zn和(1%~3%)Mg時,若Cu&gt;0.7%即會出現S相,Cu&gt;2%還會出現θ相。但超硬鋁的主要強化相是η相。η相在470℃的*大溶解度可達28%,而室溫時僅4%,所以有極高的時效強化作用。

    Al-Zn-Mg-Cu系合金的時效過程與Al-Zn-Mg合金的一樣,也是:GB區→η'→η→T相,但在100℃~160℃時效,只發生η相的沉淀過程,只有當Ta(時效溫度)&gt;270℃后才能出現η→T的沉淀過程。這是因為Zn的擴散系數比Mg的高,低溫時效只能發生富Zn相MgZn2的沉淀過程,高溫時效才能發生富Mg相T的沉淀過程。

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    超硬鋁的含Cu&gt;0.7%后,在125℃~150℃時效,可以認為是在Al-Zn-Mg系沉淀過程(GP區→η'→η→T)的基礎上,又出現了Al-Cu-Mg系的沉淀過程(GP區→S'→S)。

    超硬鋁的顯微組 織隨著溫度的升高而向更高的時效階段發展,即GBP(晶界沉淀相)和MPT(基體沉淀相)變粗,PFZ(晶間無沉淀帶)變寬。這種過時效組 織對抗應力腐蝕和斷裂韌性有利,但卻使強度性能降低15%~20%。

    Mn、Cr、Zr、Ti對超硬鋁的影響與對Al-Zn-Mg合金一樣,也是為了改善加工塑性和抗蝕性。Zn+Mg含量≥9%的合金,在淬火和時效后有嚴重的沿晶脆性斷裂現象,伸長率很低。加入上述微量元素后,由于形成了不易被位錯切割的化合物AlMgMn、Al(FeMn)Si、Al12Cr2Mg、Al20Cu2Mn、Al3Zr,并且改變了GB區、η'和η相的性質、尺寸和分布狀態,因而改變了位錯的運動方式,位錯分布也均勻,不會在晶界形成應力高度集中點,結果改善了塑性和SCR。Mn和Cr能增加超硬鋁的淬火敏感性,Cr的影響比Mn的還大,必須用高的淬火冷卻速度才能保證時效后強度,但厚板和大型鍛件即使采用高速淬火也淬不透,而且會產生嚴重的變形。因此,7050合金不含Mn和Cr,而且微量Zr(0.08%~0.25%)作為再結晶抑制劑,可在熱水中淬火,不僅能降低淬火應力,而且大截面的厚板和鍛件能獲得高的強度,因為Zr能形成微細的不溶解質點Al3Zr,對淬火敏感性影響,Mn和Cr則不同,能同主要元素形成粗大的Al12CrMg2、Al26Cu2Mn化合物,不僅降低了Cu和Mg在α固溶體中的過飽和度,而且在淬火冷卻過程中或時效初期還能沿這些質點析出粗大的η'或η相,使合金強度大幅降低。

    7050合金是一種高純度合金,≤0.12%Si、≤0.15%Fe、≤0.10%Mn、Fe和Si不僅對強度和抗蝕性有害,還能同Mn和Cu形成有害于平面應變斷裂韌度KIC的夾雜相Al7Cu2Fe、Al17Cu2(FeMn)2、Al6(FeMn)和Al(FeMn)等,這就保證了7050合金有高的塑性和平面應變斷裂韌度、強度,而且有低的淬火敏感性,成為一種綜合性能*佳的航空航天厚板與鍛件鋁合金。

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    熱處理與物理化學性能

    7050合金鍛件的固溶處理溫度468℃~474℃,在54℃~66℃溫水中淬火(按Q/6SZ925);厚板固溶處理溫度471℃~482℃,在室溫涼水中淬火,轉移時間≤15S,*好在輥底式爐內固溶爐內處理,人工時效制度見表1。

    厚板在固溶處理后與時效處理前應進行預拉伸變形,因是在下一道工序(時效處理)之前進行故稱預拉伸,其永 久變形量為1.5%~3%,以消除其中的淬火內應力。對于自由鍛件(T7452)在固溶處理后時效處理前可進行壓縮變形,其永 久變形量為1%~3%,以消除內應力。

    淬火內應力如不消除,在鋸切、銑削加工等機械加工時,板材會發生嚴重變形或甚致斷裂,另外殘余應力雖對材料拉伸性能的影響很小,但對應力腐蝕開裂、疲勞特性及斷裂韌度有明顯影響。消除或減輕殘余應力可用加熱法與機械法,前者是采用單獨加熱或與熱處理同時進行如退火等,后者為拉伸、壓縮、噴丸等。這些方法都得到了應用。

    7075、7050合金厚板用拉伸消除殘余應力時,永 久變形量達到0.5%,可消除75%~80%的殘余應力,再增加拉伸量,殘余應力的下降非常緩慢,即使永 久變形量達到3.5%,板中仍保留著約4.5%的殘余應力,故拉伸變形量定為1%~3%,實際生產中的永 久拉伸變形量大都在2%左右。中國供應的7050合金半成品的狀態與規格見表2。

    7050合金可用傳統的鋁合金熔煉與鑄造設備,但熔煉時不要混入雜質,因為它的純度相當高。它的熔化溫度為488℃~630℃,鑄造溫度700℃~730℃,鑄錠尺寸較小時鑄造溫度可適當降低。25℃時7050-T7651合金的熱導率154W/(m·℃),7050-T74、-T7452、-T7451合金的157W/(m·℃);在100℃時7050合金的比熱容963J/(kg·C)。

    7050合金的密度2.82g/cm3;室溫時的電阻率40.9nΩ·m;7050-T7651材料的電導率≥21.5Ms/m,-T74、-T7452、-T7451材料的≥22.0Ms/m;7050合金無磁性。

    7050合金有良好的抗氧化性能,但抗一般腐蝕的性能還不如7075合金的,不過卻具有相當強的抗剝落腐蝕和應力腐蝕性能,C形試樣的應力腐蝕試驗結果見表3。

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    力學性能

    技術標準規定的7050合金力學性能見表3~4,材料的斷裂韌性見表5~6,其他力學性能可查閱有關手冊。

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    7050-T74合金厚50mm~60mm的模鍛件S-L方向試樣的應力腐蝕斷裂韌度為22.2(N/mm2)·√m,疲勞裂紋擴張速率(da/dt)為3.68×10-8m·/s。

    組 織結構、工藝性能與應用

    7050合金基本相組成為α-Al和MgZn2,次要的相為Al3Zr、Al7Cu2Fe、Mg2Si和Al13CuMg4等。Al3Zr呈彌散球形狀,一般以亞穩態形式存在,具有體心立方晶格,只有長時間高溫退火,才會形成穩態的密集六方晶格。

    7050合金的形成性能與7075合金的差不多,成形工藝、加熱溫度與時間均大體相當,開鍛溫度不宜大于420℃,否則會產生熱脆,錘鍛時更應注意,終鍛溫度應≥280℃。7050合金的可焊性不佳,不宜熔焊,可進行電阻焊,當然摩擦攪拌焊(FSW)*佳。鍛件固溶處理時,為了避免淬火變形和降低殘余應力,*好盡可能地采用較緩慢的冷卻速度,如淬火水溫可控制在54℃~66℃,板材應在輥底式爐內淬火,中國擁有全世界*多的先進輥底式固溶處理爐,可處理板材的*大厚度可達250mm,國有7家軋制廠擁有這種處理爐。

    7075合金的表面處理與其他7XXX系合金的相同。有良好的可切削加工性能與磨削性能,為防止鍛件切削溫度過高引起變形,切削區溫度應&lt;100℃,切削速度應≤550r/min,冷卻液應多些。

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    7050合金的不同狀態分別適用于不同使用條件的受力構件:T76狀態材料用于要求抗剝落腐蝕、高強度的結構件;T74材料適用于高強度、抗應力腐蝕結構件,特別是厚大截面結構件;T73線材主要用于高強度、抗腐蝕的鉚釘

    7050合金在中國有完全自主知識產權的支線客機ARJ21與大飛機C919上的結構中獲得了較多的應用,但是制造原型機用的材料則是進口的。ARJ21客機的下列零件用的是7050合金(表7),C919大飛機上7050合金零部件見表8。

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    7050合金有兩種變型的合金:7050A與7150,前者是法國合金,1996年在美國鋁業協會公司注冊,后者是美國鋁業公司研發的,1978年注冊。7050合金及7150合金在航空器制造中有著廣泛應用,7050A合金的應用范圍不廣,僅在歐洲生產的一些航空器上有所應用。7150合金的雜質含量與7050合金的完全相同,僅合金元素含量稍有變動,例如7150合金的鋅含量比7050合金大0.2個百分點,Mg的含量則大0.1個百分點,Cu的含量則低0.1個百分點;與7050合金相比,7050A合金的雜質Mn更低,必須≤0.04%,Cu及Zr的含量均下降了。7050合金的發展歷程及在高強韌合金中的位置見圖1。

    7050合金與7150合金分別于1971年及1978年注冊,中國于1996年才將7050合金納入GB/T3190-1996中,大致比美國鋁業公司對此合金晚了25a,當時對此合金的研究與半成品生產仍處于“跟跑”階段。

    中國對7050型高強高韌預拉伸厚板的研制與生產起步較晚,但是至2018年已完全自主解決此問題,西南鋁業(集團)有限責任公司可以商業化批量生產各種厚度預拉伸板,可充分滿足制造各型民機與軍機的需要。7050合金是一種典型的第三代7XXX系高強韌變形鋁合金,其預拉伸厚板廣泛應用于軍、民飛機機翼梁、肋、機身框、壁板等關鍵受力結構件制造。

    十多年前中國尚未掌握此合金半成品的全部生產技術,導致ARJ21及C919飛機所需的750合金材料不得不從美國鋁業公司進口,2007年在中國型號工程的支持下,西南鋁業(集團)有限責任公司、北京有色金屬研究總院、北京航空材料研究院、中南大學等組成產學研聯合攻關團隊,拉開了對7050合金預拉伸厚板制備技術的全面系統研究序幕。

    經過近10年的艱難研發和專項攻關,突破了一系列關鍵技術,打通了多項瓶頸,掌握了全厚度范圍的7050合金預拉伸厚板從成分配制至成品包裝交貨全流程技術,形成了品質穩定的工業化批量生產工藝,并在中國航空航天領域多個重點型號工程上實現了規模化應用,全面打破了某些國家與企業對中國關鍵制造技術封鎖,也使中國相關制造技術水平躋身國際先進水平。

    2018年5月,7050合金預拉伸厚板通過中國民用航空適航審定中心適航鑒定,順利進入中國商飛公司供應商目錄,成為中國國產大飛機當下唯 一鋁合金材料供應商,無疑對中國大飛機的發展將起一定的推動作用。

    (7XXX系合金)

    工信部8種重點發展新鋁材(一)話說7050合金的組 織性能與生產應用

    圖1 7XXX系合金的發展

    (a)7XXX系航空航天合金的發展進程示意圖(見圖中FORG-鍛件,PLATE-厚板,CXT-擠壓材,SHEET-薄板,SCC-應力腐蝕開裂);

    (b)4英寸厚板比屈服強度提高進程(為避免失真,單位與坐標未予換算。)

    結語

    一代新鋁材從研發到成熟應用是一個相當長的過程,肯聯鋁業公司為空客公司(Air Bus)研發A380寬體遠程客機Airware族鋁-鋰合金先后花了約6.5a時間,中國為大飛機研發7050合金耗時近10a。材料是國家制造業的基礎,沒有米下鍋,哪有飯吃。新材料研發水平及產業化規模是衡量一個國家科學技術、經濟實力的風向標,對發展高新技術、改造和提升傳統產業、加強綜合國力和國防實力等方面均起著極其重要的作用。然而,與發達國家相比,中國新材料產業還有很大差距,起步晚、底子薄,整體實力還相當薄弱。

    2017年中國新材料產業規模達3.1萬億元,但是創新能力和競爭實力與國際先進相比還有不小差距。有關部委對130多種關鍵材料的調研表明:有32%還是空白,52%靠進口;95%的高端專用芯片、&gt;70%的智能終端處理器及80%以上的存儲芯片依靠進口;美國等對中國實行的“咬喉”項中,&gt;50%屬于新材料范疇。

    中國目前在研發與制造的大飛機、航空發動機、艦船等都面臨核心零部件急需突破材料及其加工工藝難題。同時,新材料的推廣應用與困難重重,成為新材料技術創新成果產業化關鍵瓶頸;另外,中國新材料產業存在著嚴重的低水平重復建設問題,原始創新能力不足,投資分散,產業鏈尚不夠完整,應該做到創新與應用并重。

    當前,江蘇省產業技術研究院在材料領域依托國家 級研發平臺建成了6個研究所,與地方政府及創新團隊共同建立了8家研究所,涉及先進金屬材料、高溫合金、碳纖維、石墨烯及復合材料等,這是一個很好的嘗試。(王祝堂)

     

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