差溫軋制工藝對7050鋁合金厚板組織與性能的影響

葉凌英，黃心悅，范世通，張研，鄧運來,

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差溫軋制工藝對7050鋁合金厚板組織與性能的影響

葉凌英1, 2，黃心悅1，范世通1，張研3，鄧運來1, 2, 3

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410012；3. 中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長沙，410083)

通過調(diào)控軋制過程軋件表層與心部溫差，實現(xiàn)厚度為76 mm的7050鋁合金板的差溫軋制。采用金相、硬度、室溫拉伸、SEM和EBSD等方法研究差溫軋制對厚板不同厚度層組織與性能的影響。研究結(jié)果表明：與常規(guī)軋制厚板相比，差溫軋制厚板通過控制心部與表層的屈服強度，提高厚板變形均勻性，使厚板各厚度層難溶相尺寸均勻。但由于差溫軋制人為降低板材溫度、增大厚板的變形儲能，使厚板再結(jié)晶程度提高?？傮w而言，差溫軋制可提高7050鋁合金厚板的厚向硬度與拉伸性能的均勻性；厚板各層硬度的不均勻性由10.7%下降到3.0%，厚板各層抗拉強度的不均勻性由9.0%降低到0.7%。

7050鋁合金；厚板；差溫軋制；均勻性；微觀組織；性能

隨著飛機設(shè)計理念的創(chuàng)新，航空制造業(yè)對鋁合金的要求經(jīng)歷了從第一代高靜強度到第四代高強度、高韌度和耐腐蝕等綜合性能的改變[1?2]。新一代鋁合金對其規(guī)格提出了嚴(yán)格要求，使高性能鋁合金向高強度、高韌度、低淬火敏感性發(fā)展[3]。使用鋁合金超厚板制作大型結(jié)構(gòu)件，摒棄如焊接或鉚接的傳統(tǒng)成型方式，既可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小，又能提高材料安全性。但構(gòu)件整體化制造對鋁合金材料的均勻性提出嚴(yán)格的要求。隨厚度增加，鋁合金厚板性能降低的問題急需解 決[4?5]。針對鋁合金厚板均勻性，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量研究。張新明等[6]研究了7050厚板織構(gòu)、強度和斷裂韌性的均勻性，指出板材軋制過程中表層和心部受力不均是產(chǎn)生組織與性能不均勻的根本原因。ROBINSON等[7]在研究7010鋁合金厚板的長橫向拉伸性能不均勻性時，指出各層淬火速度不同是產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因。陳軍洲等[8]研究了7055鋁合金厚板屈服強度的不均勻性，指出板材厚度方向上晶粒分布不均勻是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因。大量研究結(jié)果表明，造成鋁合金厚板厚向組織與性能不均勻的原因主要有軋制變形不均勻、再結(jié)晶不均勻和淬火降溫速度不均勻等[9]。針對軋制帶來的不均勻性，本文作者設(shè)計一種新的軋制工藝，通過強制調(diào)控厚板表面和心部溫差，有效提高厚板心部的變形程度，提高軋制均勻性。7050鋁合金超厚板具有高強度、高韌度和高抗應(yīng)力腐蝕性能，在航空制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[10?12]。研究差溫軋制對7050鋁合金組織與性能的影響，可對提高7050厚板力學(xué)性能均勻性提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料及工藝

試驗材料為3塊厚度為370 mm的7050鋁合金均勻化鑄錠，均勻化制度為465 ℃/36 h+470 ℃/24 h，其名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1，3塊鑄錠的熱軋工藝見表2。首先，采用常規(guī)軋制將鑄錠熱軋至厚度為 180 mm，選取其中1塊進(jìn)行溫度測試，其余2塊采用常規(guī)軋制(conventional temperature rolling, CTR)和差溫軋制(differential temperature rolling, DTR)方法分別軋至厚度為76 mm。

表1 7050鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 軋制工藝

注：噴淋乳化液至表面溫度降到350 ℃，此時中心層溫度約為420 ℃。

1.2 差溫軋制工藝設(shè)計

差溫軋制調(diào)控厚板變形不均勻性的原理是人為調(diào)控心部與表層溫度，增大表層變形抗力，降低心部變形抗力，使壓縮變形能深入厚板心部，提高厚板變形均勻性。

為研究差溫軋制時7050鋁合金180 mm厚板各厚度層溫度的變化情況，進(jìn)行測溫試驗。具體方案為：加熱厚板到450 ℃，用乳化液噴淋板材表面，測量厚板表層、1/4層與心部溫度，得到7050鋁合金180 mm厚板降溫曲線，如圖1所示。從圖1可見：當(dāng)表層溫度降至350 ℃時，心部溫度正好為420 ℃，此時，心表溫差達(dá)70 ℃。

1—心部；2—1/4層；3—表層。

為研究差溫軋制時7050鋁合金180 mm厚板各厚度層屈服強度的變化情況，進(jìn)行高溫拉伸測試。試驗方案為：取7050鋁合金均勻化態(tài)樣品，在300，350，375，400，420和450 ℃時進(jìn)行拉伸試驗，得到7050高溫拉伸性能，如表3所示。從表3可知：當(dāng)厚板表層溫度為350 ℃時，其屈服強度為50 MPa；當(dāng)心部溫度為420 ℃時，屈服強度僅為28 MPa，中心層的屈服強度僅為表層的56%。因此，采用差溫軋制的方法可以有效提高心部與表層的變形均勻性。軋制后的厚板均采用三級固溶處理(300 ℃/0.5 h+400 ℃/0.5 h+480 ℃/ 1 h)，以抑制再結(jié)晶。水淬后的時效處理均采用回歸時效處理(105 ℃/17 h+190 ℃/0.5 h+120 ℃/23 h)。

表3 7050板材高溫拉伸性能

1.3 檢測分析

取7050鋁合金常規(guī)軋制與差溫軋制時效態(tài)樣品，該樣品分為表層、1/4層與心部。采用ZEISS金相顯微鏡進(jìn)行金相檢測，采用HV?10B硬度儀測試硬度；參照國標(biāo)GB/T 228—2002進(jìn)行常溫拉伸實驗，采用CSS?44100電子萬能測試機進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速率為2 mm/min；采用ZEISS?EVOM10電鏡對軋制態(tài)與固溶態(tài)的7050鋁合金第二相進(jìn)行掃描；采用ZEISS?EVOM10電鏡對時效態(tài)7050鋁合金的微觀組織進(jìn)行觀察。樣品經(jīng)打磨后通過雙噴減薄的方法制備。電解液為30%HNO3+70% CH3OH(體積分?jǐn)?shù))，電解液溫度控制在?25℃以下。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同軋制方式的宏觀形貌

7050鋁合金厚板常規(guī)軋制和差溫軋制厚板的宏觀形貌如圖2所示。從圖2(b)可見：常規(guī)軋制厚板表層與心部變形極不均勻，末端出現(xiàn)明顯的雙鼓形，表層與心部變形量差距為15 mm。從圖2(c)可見：差溫軋制厚板表層與心部變形程度差距較小，其末端的雙鼓型明顯得到改善，表層與心部變形量差距僅有3 mm。

2.2 不同軋制方式對金相組織的影響

常規(guī)軋制與差溫軋制時效后樣品不同厚度層的縱截面金相如圖3所示。其中，深色為變形組織，白色為再結(jié)晶組織。從圖3可見：常規(guī)軋制與差溫軋制的再結(jié)晶晶粒均沿軋制方向延長，各層再結(jié)晶程度均由表及里依次減??；常規(guī)軋制與差溫軋制的變形組織比例均由表及里逐漸變大。

(a) 差溫軋制與常規(guī)軋制端面；(b) 常規(guī)軋制側(cè)面；(c) 差溫軋制側(cè)面

2.3 不同軋制方式對再結(jié)晶組織的影響

常規(guī)軋制與差溫軋制時效態(tài)EBSD對比圖見圖4，其中，深色區(qū)域代表再結(jié)晶組織，淺色區(qū)域代表亞晶組織。從圖4可知：常規(guī)軋制與差溫軋制的各層厚板再結(jié)晶程度變化規(guī)律相同，均是由表及里依次減小，但常規(guī)軋制各層的再結(jié)晶程度均比相同厚度層的差溫軋制厚板的再結(jié)晶程度小，差溫軋制各層變形組織比例均比常規(guī)軋制的大。

差溫軋制時需要噴淋乳化液以降低板材溫度。在軋制過程中，板材溫度越低越容易儲存形變能。該形變能在固溶處理過程中釋放，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒更容易形核，這就造成差溫軋制各層再結(jié)晶程度比常規(guī)軋制的高。常規(guī)軋制與室溫軋制再結(jié)晶程度見表4。

2.4 不同軋制方式對難溶相的影響

差溫軋制和常規(guī)軋制的軋制態(tài)樣品SEM照片如圖5所示。在差溫軋制與常規(guī)軋制的軋制態(tài)樣品中，難溶相沿軋制方向呈鏈狀分布。表5所示為常規(guī)軋制與差溫軋制軋制態(tài)各層的難溶相尺寸。從表5可見：常規(guī)軋制各層難溶相尺寸差異極大，難溶相平均長度由表層的6.21 μm增大為心部的11.34 μm，相差近1倍，平均寬度由表層的3.11增大為心部的5.19 μm，相差2.08 μm；而差溫軋制各層難溶相尺寸接近，表層和心部平均長度分別為6.58 μm和6.69 μm，平均寬度分別為4.11 μm和3.89 μm，相差均較小。

(a) 常規(guī)軋制表層；(b) 常規(guī)軋制1/4層；(c) 常規(guī)軋制中心層；(d) 差溫軋制表層；(e) 差溫軋制1/4層；(f) 差溫軋制中心層

(a) 常規(guī)軋制表層；(b) 常規(guī)軋制1/4層；(c) 常規(guī)軋制中心層；(d) 差溫軋制表層；(e) 差溫軋制1/4層；(f) 差溫軋制中心層

表4 常規(guī)軋制與差溫軋制再結(jié)晶程度

常規(guī)軋制心部與表層塑性變形程度差距大，導(dǎo)致各層難溶相破碎程度由表及里依次降低，難溶相尺寸差距大；差溫軋制工藝使心表塑性變形均勻，導(dǎo)致各層難溶相的破碎程度接近，難溶相尺寸接近。

差溫軋制與常規(guī)軋制固溶態(tài)樣品的SEM微觀組織如圖6所示。對難溶相面積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表6所示。從表6可見：常規(guī)軋制厚板各層難溶相面積分?jǐn)?shù)不均勻，表層僅為0.486%，心部高達(dá)1.017%，為表層的2.1倍；差溫軋制固溶態(tài)厚板各層難溶相分布均勻，表層為0.517%，心部為0.533%，差距較小；常規(guī)軋制厚板只有表層的難溶相面積分?jǐn)?shù)比差溫軋制厚板的低，1/4層和心部的難溶相面積分?jǐn)?shù)都遠(yuǎn)比差溫軋制厚板的高；常規(guī)軋制表層的難溶相面積分?jǐn)?shù)最低，心部最高；差溫軋制1/4層的難溶相面積分?jǐn)?shù)最低，心部最高。

(a) 常規(guī)軋制表層；(b) 常規(guī)軋制1/4層；(c) 常規(guī)軋制中心層；(d) 差溫軋制表層；(e) 差溫軋制1/4層；(f) 差溫軋制中心層

表5 常規(guī)軋制與差溫軋制軋制態(tài)難溶相尺寸

差溫軋制工藝使厚板軋制態(tài)的各層難溶相尺寸接近，心部難溶相尺寸小于常規(guī)軋制心部難溶相尺寸，在后續(xù)固溶過程中，尺寸越小的難溶相越容易固溶到鋁基體中，所以，差溫軋制厚板固溶態(tài)樣品心部難溶相比例比常規(guī)軋制心部難溶相比例小。

2.5 不同軋制方式對維氏硬度與室溫拉伸性能的影響

7050鋁合金厚板時效態(tài)各層樣品的維氏硬度見圖7。從圖7可見：常規(guī)軋制厚板維氏硬度由表及里大幅度下降，表層維氏硬度最高(為205)，心部最低(為183)，下降約10.7%；而差溫軋制厚板各層維氏硬度變化幅度較小，呈先增大后減小的趨勢，1/4層維氏硬度最高，為199，表層與中心層維氏硬度相近，分別為194和193，僅下降2.5%和3.0%。

表7所示為7050鋁合金厚板在不同軋制方式時效態(tài)時各層樣品的室溫拉伸性能。從表7可見：與常規(guī)軋制相比，差溫軋制合金表層的抗拉強度從621 MPa降低到606 MPa，1/4層的抗拉強度從592 MPa提高到609 MPa，中心層抗拉強度從565 MPa提高到 605 MPa；各層性能差距從56 MPa降低到4 MPa，不均勻性由9.0%降低到0.7%；常規(guī)軋制各層屈服強度差距極大，表層最高，為585 MPa，心部最低，為526 MPa，差距高達(dá)59 MPa；差溫軋制表層屈服強度為579 MPa，比常規(guī)軋制表層低6 MPa；1/4層最高，為585 MPa，比常規(guī)軋制1/4層高34 MPa；心部最低，為578 MPa，比常規(guī)軋制心部高52 MPa，差溫軋制各層屈服強度差距僅有7 MPa。差溫軋制表層伸長率比常規(guī)軋制的高，但1/4層與心部伸長率均比常規(guī)軋制的低。

(a) 常規(guī)軋制表層；(b) 常規(guī)軋制1/4層；(c) 常規(guī)軋制中心層；(d) 差溫軋制表層；(e) 差溫軋制1/4層；(f) 差溫軋制中心層

表6 差溫軋制與常規(guī)軋制固溶態(tài)難溶相面積分?jǐn)?shù)

1—CTR；2—DTR。

表7 常規(guī)軋制與差溫軋制室溫拉伸性能對比

綜上可知：差溫軋制增大了厚板各層再結(jié)晶程度，對板材力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。但7系鋁合金最主要的強化機制為時效強化，時效強化相的數(shù)量和大小是決定其力學(xué)性能的最主要因素[13?17]，差溫軋制可通過提高厚板各層難溶相固溶度為時效處理析出強化固溶相提供有利條件。故與常規(guī)軋制相比，對于差溫軋制鋁合金厚板力學(xué)性能，表層降低，1/4層提高，心部提高?？梢姡翰顪剀堉铺岣吡?050鋁合金76 mm厚板厚度方向上力學(xué)性能的均勻性。

3 結(jié)論

1) 通過調(diào)控表層和心部的溫差，厚板心部的屈服強度遠(yuǎn)比表層的小，有效地提高了心部變形量，提高了變形均勻性。

2) 差溫軋制能提高厚板的變形儲能，大幅度提高厚板的再結(jié)晶程度，對抗拉強度的提高起消極作用。

3) 差溫軋制通過提高心部變形量提高難溶第二相的破碎程度，提高后續(xù)固溶過程固溶度及其均勻性，為最終時效處理提供更多的時效強化相。

4) 由于再結(jié)晶和固溶程度的綜合作用，厚板的力學(xué)性能均勻性大幅度提高，其抗拉強度不均勻性由9.0%下降到0.7%。

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(編輯 陳燦華)

Effects of differential temperature rolling on 7050 aluminum alloy thick plate

YE Lingying1, 2, HUANG Xinyue1, FAN Shitong1, ZHANG Yan3, DENG Yunlai1, 2, 3

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering, Ministry of Education,Changsha 410012, China;3. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

By adjusting the temperature difference between the center and the surface of the rolling process, the differential temperature rolling(DTR) of 7050 aluminum alloy 76mm thick plate was realized. The effects of differential temperature rolling on the microstructure and properties of different thickness were studied by metallographic, hardness, room temperature tensile, SEM and EBSD. The results show that compared with the conventional rolling plate, the thickness of the thick plate is controlled by controlling the yield strength of the heart table, and the thickness uniformity of the thick plate is improved. However, the differential temperature rolling artificially reduces the plate temperature, improves the deformation of the plate energy storage and the degree of re-crystallization of thick plate. The inhomogeneity of hardness of the slabs decreases from 10.7% to 3.0%. The thickness of the slabs is higher than that of the slabs. The intensity of the inhomogeneity is reduced from 9.0% to 0.7%.

7050 aluminum alloy; thick plate; differential temperature rolling; homogeneity; microstructure; properties

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.007

TG335.1

A

1672?7207(2018)09?2160?08

2017?10?16；

2017?12?07

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0300901) (Project(2016YFB0300901) supported by the National Key R&D Program of China)

鄧運來，博士，教授，從事高性能鋁、鎂合金組織性能研究；E-mail: luckdeng@csu.edu.cn