基于JMatPro软件对7050铝合金析出相的热力学模拟计算

蔺虹宾，何跃斌，蒋 辉，李 丽，王新颖，苗景国

（1.四川省航空材料检测与模锻工艺技术工程实验室，四川德阳 618000；2.四川工程职业技术学院，四川德阳 618000）

7050铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，是目前用传统方法生产的工业用强度最高的铝合金，由于其综合性能优异，在航空航天领域用材料中占有主导地位[1-3]。随着航空航天工业的发展，铝合金以减轻结构，提高可靠性和延长寿命为目标，主攻高强、高韧和耐腐蚀耐疲劳等综合性能使之符合极端服役环境，这就需要通过精密热处理工艺精确调控微观组织[4-5]。笔者利用JMatPro软件对7050铝合金的平衡相组成、TTT、CCT及沉淀相进行热力学计算，为制定热处理工艺和调整析出沉淀相的组态提供理论依据。

1 材料及研究方法

研究材料为7050铝合金轧制板材，板材厚度为75mm，其标准化学成分如表1所示。

JMatPro软件是一款功能强大的金属材料相图和性能计算软件，以热力学模型、热力学数据为计算基础，对所有的物理模型的建立都经过了广泛的验证[6]，已有研究结果表明[7]，JMatPro软件对6063和7003铝合金模拟计算所得的TTT和CCT曲线与试验获得曲线相吻合。本研究采用JMatPro软件铝合金模块对7050铝合金析出相进行热力学计算，合金的成分选择各合金组元的平均百分含量。

2 结果与讨论

2.1 热力学平衡相

通过热力学计算，得到7050铝合金的平衡相转变过程图，如图1所示。根据计算结果可知，7050铝合金的液相线温度为633℃，在该温度下，析出α（Al）固溶体相，合金的固相线温度为510℃。在596℃时，析出Al3Fe相，其在550℃时析出量达到最大值，为0.33%，随后与液相发生包晶反应生成α（Al）固溶体相，在固相线温度处完全消失。在凝固末期520℃时，开始析出Mg2Si相。随后合金发生固态相变，依次从α（Al）固溶体中析出Al6Mn相、S （Al2CuMg） 相、E （AlCrMgMn） 相和 η（MgZn2）相，它们的析出温度分别为508℃、468℃、457℃和405℃。合金在室温下的平衡相组成 为 86.5% α （Al）、8.87% η （MgZn2）、3.02% S（Al2CuMg）、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和 0.26%E（AlCrMgMn）。

图1 7050铝合金平衡相转变量与温度关系

2.2 合金的TTT和CCT曲线

图2为7050铝合金的TTT图，从图中可以看出合金的TTT曲线整体呈“C”形。合金中GP区、η′亚稳相和η相的鼻尖区的温度依次升高，分别为 140℃、330℃和 380℃，对应的孕育时间为0.002h、0.007h和 0.2h，开始转变温度分别为160℃、380℃和440℃。表2列出7050合金中各相在不同温度下的孕育时间，文献报道，7050铝合金时效强化过程析出相的顺序为SSS→GP区→η′相→η相，其中GP区和η′相为合金主要沉淀强化相，利用TTT曲线可以制定相关时效工艺，随着时效温度的下降，合金中各相的孕育时间增长。

图2 7050铝合金TTT曲线

表2 7050铝合金中各相不同温度下孕育时间

图3为7050铝合金的CCT图，反映了合金以连续方式冷却时相转变与冷却速度的关系。η′相无析出的临界冷却速度为2℃/s，因此7050铝合金在固溶处理时，在230~330℃需要大于2℃/s的冷却速度以抑制各物相的析出来获得过饱和固溶体。

图3 7050铝合金CCT曲线

2.3 7050合金等温时效相组成

由图1中7050合金平衡相转变过程可知，当温度高于468℃时，合金中除了Al6Mn相外，固态下 S（Al2CuMg）相、E（AlCrMgMn）相和 η（MgZn2)相均会固溶到α（Al）固溶体中。Al6Mn相的固溶温度为508℃，合金的固相线温度为510℃，为此合金固溶温度选择475~480℃。合金在时效过程中，首先形成溶质原子的偏聚区（GP区），随后脱溶出η′和S′亚稳相，亚稳相与α（Al）固溶体成共格或半共格关系，亚稳相是合金中主要的沉淀强化相。图4为 7050铝合金不同时效温度下析出相随时间变化曲线，从图中可以看出，随着时效温度的升高，合金中亚稳相析出的时间缩短，析出速率增加，析出量增多。时效温度为100℃时，时效27h，合金中η′和S′分别为6.88%和3.48%，时效温度达到140℃时，只需时效13h，合金中η′和S′达到6.83%和3.63%。

图4 7050铝合金不同时效温度下析出相随时间变化曲线

3 结论

（1）通过对7050平衡相组成进行计算，合金室温下的相组成为86.5%α（Al）、8.87%η（MgZn2）、3.02%S （Al2CuMg）、1.02%Al6Mn、0.33%Mg2Si和0.26%E（AlCrMgMn）。温度高于 468℃时，除Al6Mn相外，合金中固相会全部固溶于α（Al）固溶体相。

（2）合金的 TTT曲线整体呈“C”形，GP区、亚稳相和稳定相鼻尖温度分别为140℃、330℃和380℃，对应的孕育时间为0.002h、0.007h 和0.2h。η′相无析出的临界冷却速度为2℃/s。

（3）随着时效温度的升高，合金中亚稳相析出的时间缩短，析出速率增加，析出量增多，时效温度为100℃时，时效 27h，合金中 η′和 S′相分别为6.88%和3.48%，时效温度达到140℃时，只需时效13h，合金中η′和S′相达到6.83%和3.63%。