收稿日期:2007-12-10 第一作者简介：蔡刚毅(1974-)，男，湖南汉寿人，博士研究生。
Al 2Zn 2Mg 2Cu 铝合金ECAP 变形后的组织和性能 蔡刚毅，吕广庶，马 壮，王 星
(北京理工大学材料科学与工程学院，北京100081) 摘要：通过对退火态的Al 2Zn 2Mg 2Cu 系铝合金在523K 加热进行不同道次等径通道挤压(EC AP )，采用120°模具在Bc 路径下经10次EC AP 变形后等效真应变达到612。试验结果表明，退火态合金试样EC AP 挤压后晶粒明显细化,8道次之后晶粒细化趋于缓和,10道次后获得晶粒尺寸为018μm 左右的等轴状组织。性能测试结果表明：合金的显微硬度、抗拉强度及伸长率随着EC AP 变形道次的增加而增大,EC AP 提高了合金的综合力学性能，显著地改善了合金的塑性。 关键词:Al 2Zn 2Mg 2Cu 系铝合金;EC AP ；晶粒细化；性能
中图分类号:TG 146.21 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2008)04-0045-04
Microstructure and mechanical properties of Al 2Z n 2Mg 2Cu
aluminum alloy processed by ECAP
CAI G ang 2yi ,LV G uang 2shu ,MA Zhuang ,WANG X ing
(School of Materials Science and E ngineering ,B eijing I nstitute of T echnology ,B eijing 100081,China)
Abstract :Al 2Zn 2Mg 2Cu aluminum alloy under anealing state was extruded at the tem perature of 523K through various pass equal channel angular pressing (EC AP )technique ,and the real strain is up to 612after 10passes EC AP.The results show that the grainrtm
refinement of Al 2Zn 2Mg 2Cu aluminum alloy was realized after EC AP ,and the grain is equiaxial and its diameter is about 0.8μm af 2
ter 10pass.The test results show that microhardness ,tensile strength and elongation degree were increased as long as the pass num 2ber of EC AP increasing and the refining rate was slow after 8pass of EC AP.S o general mechanical properties increased remarkably especially plastic property through EC AP.
K ey w ords :Al 2Zn 2Mg 2Cu aluminum alloy ;EC AP ;grain refinement ;mechanical properties
Al 2Zn 2Mg 2Cu 系铝合金属超高强变形铝合金，同
时具有较好的耐蚀性和较高的韧性，是航空、航天、
兵器、交通运输等行业最重要的结构材料之一[1-2]
。现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的综合性能提出了更高的要求，在特定条件下，为满足成型要求，需要在保持高强度的同时有较大的塑性。而细化晶粒是提高合金强度和塑性的重要途径，大塑性变形是制备细晶材料的有效方法之一，诸如锻造法、
阿尔比派拉拔法、扭转变形法和反复重叠轧制法等[3-4]
。近些年来，等径弯曲通道变形(EC AP )技术，作为通过强烈塑性变形而获得大尺寸亚微米或纳米级块体材料的
有效方法而日益受到材料学界的重视[5]
。等径弯曲
通道法(EC AP )在挤压过程中材料的横截面积不变，对材料进行多次强烈剪切塑性变形，从而达到大的应变量，获得可达亚微米级的超细晶粒，使得材料组织和物理性能发生显著变化。
EC AP 在纯金属Al [4-6]、Cu [7]、T i [8]
及部分合金[9-12]如普通低碳钢,Al 2Mg ,Zn 2Al ,AZ 91等材料上已有较多研究，但其用于可热处理强化铝合金的研究非常有限，这与EC AP 用于这些合金产生的沉淀强化和塑性不断降低有关[13]
。为此，针对Al 2Zn 2Mg 2Cu 铝合金经EC AP 多道次挤压后的组织和性能进行了研究。
1 试验材料和过程
试验材料为Al 2Zn 2Mg 2Cu 超高强铝合金，供应态为铝合金棒材，直径为30mm ，状态为T 4(CZ )，由西南铝业(集团)公司提供，原始组织晶粒大小约30μm 。其化学成分见表1。
表1 7475铝合金的化学成分(质量分数)
%Zn
M g
Cu
Mn
Cr
Fe
S i
T i
Al
龙蝎酒5.870 2.350 1.6200.0600.2200.0960.0380.050余量
沿热拉拔棒材纵向切取EC AP 试样，试验前将试
样在490℃保温3h 后随炉冷却，抛光表面后试样直径为12mm ，长60mm 。挤压试验在0145MN 立式万能液压试验机上进行。试样在5MPa 以内的压力被挤出，挤压之前，分别在通道内壁和试样表面涂M oS 2润滑油，挤压速度控制在6mm Πs 左右,EC AP 试验选择的温度为523K，将EC AP 试样和模具同时放入加热炉中加热到指定温度，保温一段时间后进行EC AP 变形。采用B C 路径进行挤压，即试样每次通过EC AP 模具时顺次沿其轴线翻转90°，挤压模具中2
个通道的内交叉角<；为120°，通道交接处外弧度ψ为30°。显微组织试样从挤压试样垂直于长轴方向切取015mm 厚的薄片，然后进行减薄处理，电镜观察在
JC M 2200CX 透射电镜上进行，加速电压160kV ，选区
衍射试验(SE AD )光栅半径为215μm 。晶粒尺寸测
量采用直线截取法。用H VA 210A 型维氏硬度计测试显微硬度。EC AP 后切取试样，试样直径为4mm ，长30mm ，拉伸试验采用W DW 2E100D 型电子拉伸试验机，拉伸试验在室温下完成，应变速率3.3×10
-4
s
-1
～1.0×10-1s -1
。
2 试验结果与分析
2.1 温挤压试样组织形貌
结合Al 2Z n 2M g 2Cu 铝合金的再结晶温度，为防止发
张家港突发聚集性疫情
生再结晶长大，又考虑软化组织的效果，本试验采取温挤压方式，首次挤压前为退火状态。用Bc 方式分别进行1、2、4、8、10道次挤压后的试样进行透射电镜显微组织观察。图1为1道次后的组织形貌，图1a 为晶粒大小形貌，经一次挤压后，晶粒呈现明显的方向性，个别大晶粒内部出现了碎化现象(图中箭头所指晶粒
)，此外出现了大量的亚结构(图中圆圈内区域)，这些都是后续E C AP 产生细晶的来源。同时经挤压后晶粒内部出现了大量位错，在晶界处集结成条带，或者缠结到一起，如图1b 中的黑条带。因此可以认为，在E C AP 变形1道次
之后，部分粗大晶粒被破碎成一系列具有小角度界面的亚晶，亚晶沿一定方向拉长成带状结构，同时出现了大量的位错胞。
图1 EC AP 挤压1道次后材料的显微组织
图2分别为EC AP 挤压2、4、8、10道次之后的显微组织，由图可见随着挤压道次的增加，晶粒越来越细小。EC AP 进行2道次时仍然可以观察到晶粒被拉长后的组织形貌(图2a )，但其晶粒大小和形状不很均匀，组织中出现了少量等轴晶。随着挤压道次的增加，晶粒取向性变得不太明显，亚晶粒更趋于向于等轴晶，且数量不断增多，晶粒大小趋于均匀，小角度晶界不断向大角度晶界演化。到第8道次之后，晶粒细化趋于缓和,10道次后晶粒成了018μm
左右的等轴晶粒(见图2d )。根据等效剪切应变
公式[6]
:
εN =N 3
[2cot <2+ψ2+ψcos ec <2+ψ2]式中:N —道次;
应用网关
εN —
累积等效真应变;<—模具内交叉角;ψ—模具外角。
根据计算可得,10道次后试样等效真应变达到
了6.2。
此外，随着变形过程的进行，大量的位错不断产生和运动。铝合金中的第二相由于位错运动在剪切
力的作用下，由块状及针状(图2a 、b )变成了细针状和颗粒状(图2c 、d )，且弥散分布于基体中
。
图2 多道次EC AP 后材料的显微组织
2.2 EC AP 后的力学性能
对Al 2Zn 2Mg 2Cu 铝合金在523K 温度下各道次EC AP 挤压后试样进行了硬度及力学性能测试。图3
为显微硬度H V 与变形道次的关系曲线，由图可见H V 值先是增加较快，而后趋于缓和,8道次之后显微
硬度几乎不再增加。图4为抗拉强度与挤压道次之间的关系曲线，由图可见，抗拉强度在前两道次增加比较明显，后期增加变缓。图5为试样伸长率与挤压道次之间的关系曲线，由图可见，材料的伸长率也是随着挤压道次数增加而增大，挤压10道次之后其伸长率由挤压前的22.4%提高到64%，说明其塑性得到了显著提高。2.3 分析与讨论
试样经EC AP 挤压后，发生了强烈的塑性变形,1道次和2道次之后，铝合金材料的显微组织被拉
长，形成板带状组织，同时组织内部还形成大量的位错缠结和亚结构(如图1所示)，粗大晶粒破碎，生成了许多小尺寸的亚晶，因而晶界所占比例较高，晶格的畸变能较高，位错运动受到很大阻力，晶界滑动和迁移也会受到很大阻力，材料的变形抗力比较大,
应
图3 不同EC AP 道次后材料的显微硬度曲线
变硬化明显，因此其显微硬度在变形前几道次增加比较明显；随着变形的进行，位错将会越来越多，但同时晶界也将很容易吸收、湮灭位错，使得位错密度不会有很大增高，位错运动产生位错胞，而且亚晶界上的位错增加使亚晶粒之间逐渐形成大角度晶界。这样变形时的应变硬化作用和回复作用同时存在，同时起作用，使得后面道次变形的应力值变化很小,
因而其显微硬度增加变缓[6]
。
纵观不同道次EC AP 变形后组织形貌图，充分验
证了Valiev [14]
等提出的EC AP 组织演化三阶段：粗大
图4 不同EC AP
道次后材料的抗拉强度曲线
图5 不同EC AP 道次后材料的伸长率曲线
的晶粒沿剪切方向被拉长成为带状组织，大晶粒被
粉碎成一些具有小角度的亚晶；亚晶继续破坏，开始
出现具有大角度晶界的等轴状组织；具有大角度晶界的等轴状组织大量形成；随着变形量的继续增大，晶粒间的位向差继续增大，大角度晶界形成，晶界也越来越平直，晶粒被细化成亚微米级甚至纳米级。由于晶粒越来越细化，第二相粒子越来越细小弥散，因此在其强度提高的同时，塑性也大幅提高。充分证明了通过等通道变形法来获得材料优良综合性能的有效性。
3 结 论
(1)退火态的Al 2Zn 2Mg 2Cu 合金在523K 时能进
行多道次EC AP 变形，到10道次时等效真应变达到
612，晶粒细化为018μm 左右的等轴状。
(2)在523K 温度下进行EC AP 变形，该合金晶粒尺寸随EC AP 道次的增加而减小，大于8道次后细化程度趋于缓和。
(3)在523K 温度下进行EC AP 变形，该合金显微硬度、抗拉强度和伸长率随道次的增加而增大,10
道次之后抗拉强度为345N Πmm 2
，伸长率为64.5%，大大地改善了该合金的强度和塑性。
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(下转第57页)
(上接第37页
)
图7 磨损形貌比较
硬陶瓷颗粒Al 2O 3镶嵌于软Al 的基体之中，起到较好的抗磨和减磨作用，而基体起到了支撑和缓冲作
用。磨损试验结果表明，激光熔覆层的耐磨性能得到了明显改善。
3 结 论
(1)在AZ 91D 镁合金基体上采用激光熔覆法成
功制备了Al +Al 2O 3复合涂层，且激光熔覆复合涂层中的增强相分布均匀。
(2)结合区的生长形态为平行的状树枝晶，且其生长前沿为放射状枝晶形态。
(3)AZ 91D 基体和涂层间界面结合区组织生长形态与温度梯度、液态温度、过冷度和生长前沿的凝固速度有关，其中温度梯度和凝固速度是主要影响因素。结合区树枝晶的显微结构受激光参数的影响。同时，合适的对流对涂层的均匀化也是有利的。
(4)与AZ 91D 基体相比，激光熔覆涂层的耐磨性得到了改善。
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淬火后停放时间对60822T6型材强度的影响
陈慧等研究了淬火后停放时间对60822T 6合金型材强度的影响，见《铝加工》2007年第6期第25-27页。6082合金属Al 2Mg 2Si 合金,Mg 2Si 是其强化相，存在“停放效应”，因而常常造成一部分挤压材在人工时效后强
度性能不合格。他们结合生产实际，对停放时间对强度性能的影响作了系统的研究，认为只要淬火后停放时间不超过4h ，合金在时效后的性能都能满足要求。
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