不同Zn/Mg对7A04铝合金析出相的热力学数值计算

冯艳飞，麻永林，杨 路，张 宇，吴 楠

(1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010；2.辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 营口115000)

7A04铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系合金中应用最广泛的变形铝合金，具有非常好的综合机械性能，在交通、航天、军工、民用材料领域显得尤为重要[1，2]。7A04铝合金作为一种优质合金，为了进一步扩大其应用范畴，还需要加大科学研究力度，尽快克服其凝固过程造成的组织和性能的缺陷[3]。而随着计算机技术的不断蓬勃发展，数值模拟技术得到了快速进步，在解决铝合金冶金工程方面具有很大优势，成为当今材料界非常热门的研究方向之一[4，5]。有研究表明[6]，Zn/Mg对Al-Zn-Mg-Cu系合金相组成和力学性能的影响是非常重要的。为此，本研究以Al-Zn-Mg-Cu系的7A04铝合金为基体，通过大量数值计算研究不同Zn/Mg对其合金凝固过程的影响，探索Zn/Mg对7A04铝合金凝固相组成及析出温度、热力学参数、力学性能等的影响。

1 凝固计算及成分设计

本文通过成分设计，运用有限元数值计算分析不同Zn/Mg对7A04铝合金凝固过程的影响。其化学成分见表1，Zn与Mg总含量固定为8.9%(质量分数)，Zn/Mg范围设定为2.24～3.56。

表1 7A04铝合金化学成分(质量分数，%)

通过JMatpro仿真数值模拟计算分析方法，在凝固过程中采用Scheil-Gulliver模型理论可以很好地解决众多铝合金不能试验的凝固问题，但它仍然是一个近似值，在凝固过程中可能存部分反向扩散，忽略气体影响。为了很好地控制凝固全过程，该模型推导基于以下假设：(1)固相中无扩散，DS=0；(2)液相均匀混合，液态金属在任何时刻都能通过扩散、对流或强烈搅拌而使其成分完全均匀，DL=∞；(3)固-液界面处于局部平衡状态；(4)固相线和液相线为直线。

形成固相中合金成分：

(1)

形成固相所占分数：

(2)

热动力学计算原理：

(3)

2 计算结果及分析

2.1 热力学平衡相

图1为不同Zn/Mg理想状态7A04铝合金铸锭各主要平衡相析出量与温度的关系。可知，7A04铝合金铸锭理想状态下的主要相组成为α-Al、η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)、Mg2Si、E(AlCrMgMn)、S(Al2CuMg)。其中，主要强化相为η相、T相和少量S相。添加不同Zn/Mg主要影响各析出相含量与析出温度。表2为具体的7A04铝合金主要析出相的开始析出温度。

图1 7A04铝合金铸锭各相析出量及析出温度Fig.1 Precipitation amount of each phase and precipitation temperature of 7A04 aluminum alloy ingot

表2 7A04铝合金主要析出相的开始析出温度

2.2 主要相组成与析出温度的关系

图2为不同Zn/Mg的7A04铝合金α-Al相析出与温度的关系。由图可知，相同析出温度下，随着Zn/Mg增加，α-Al相含量呈增加趋势，并且析出起始温度提前，终了析出温度滞后。另外随着凝固过程中温度的降低，α-Al相含量先增加、后减少，存在析出量最高峰。并且在α-Al相中固溶了少量的其他合金元素，主要为Cr、Cu、Fe、Si且含量依次从大到小为Fe>Si>Cr>Cu。

图2 α-Al相组成及析出温度的关系Fig.2 Relationship between α-Al phase composition and precipitation temperature

图3为不同Zn/Mg的7A04铝合金MgZn2相析出与温度的关系。由图可知，当Zn/Mg分别为2.24和2.36时，随着凝固过程温度的降低，MgZn2相析出含量先增加后减小，析出量最高峰及温度分别为8.89%、229.9℃和9.25%、194.7℃。当Zn/Mg由2.71增加至3.56时，随着凝固过程温度的降低，MgZn2相析出量逐渐增加，最后趋于平衡，出现析出量最高峰。

图3 ZnMg2相组成及析出温度的关系Fig.3 Relationship between ZnMg2 phase composition and precipitation temperature

图4为不同Zn/Mg的7A04铝合金Mg2Si相析出与温度的关系。由图可知，随着凝固过程中温度的降低，Mg2Si相析出先增加后趋于基本平衡稳定状态，而当Zn/Mg为2.96和3.56时，变化差异略大；近似平衡状态时，Mg2Si相析出量明显较Zn/Mg为2.24、2.36和2.71偏低。并且随着Zn/Mg递增，Mg2Si相析出量近似平衡时的析出温度越低。

图4 Mg2Si相组成及析出温度的关系Fig.4 Relationship between Mg2Si phase composition and precipitation temperature

图5为不同Zn/Mg的7A04铝合金S相析出与温度的关系。由图可知，随着凝固过程中温度的降低，S相析出量呈先增加，后降低，再增加的趋势，在410℃～420℃出现析出量最大值。当温度低于410℃时，随着温度的降低，不同Zn/Mg依次相析出含量由小到大顺序为2.24<2.36<3.56<2.71<2.96。当温度大于420℃时，随着温度的降低，相同温度下，随着Zn/Mg递增，依次相析出含量递减，但开始析出温度滞后。

图5 S相组成及析出温度的关系Fig.5 Relationship between S phase composition and precipitation temperature

图6为不同Zn/Mg的7A04铝合金E相析出与温度的关系。由图可知，随着凝固过程中温度的降低，E相先增加后趋于平衡。且随着Zn/Mg递增，E相析出温度滞后，并且在相同温度下，E相析出含量随着Zn/Mg递增而减少。

图6 E相组成及析出温度的关系Fig.6 Relationship between E phase composition and precipitation temperature

图7为不同Zn/Mg的7A04铝合金T相析出与温度的关系。由图可知，当Zn/Mg比值低于2.36时，析出相里存在T(AlZnMgCu)相，当比值大于2.36时，析出相无T相生成。并且随着凝固过程中温度的降低，Zn/Mg越低，析出温度范围越大，当Zn/Mg分别为2.24和2.36时，T相析出起始温度分别为229.6℃和194.9℃。

图7 T相组成及析出温度的关系Fig.7 Relationship between T phase composition and precipitation temperature

2.3 Zn/Mg与冷却温度、潜热、力学的关系

图8为不同Zn/Mg的7A04铝合金凝固冷却温度关系曲线。可知，随着Zn/Mg增加，凝固温度发生了明显变化。结合表3不难看出，固、液相温度变化显著，随着Zn/Mg增大，液相线温度降低，而固相线温度升高。

图8 不同Zn/Mg与凝固冷却温度的关系Fig.8 Relationship between different Zn/Mg and solidification cooling temperature

表3 不同Zn/Mg的7A04铝合金液/固相线温度关系

图9为不同Zn/Mg的7A04铝合金凝固潜热的关系曲线。可知，在相同析出温度下(低于630℃)，随着Zn/Mg增加，凝固潜热呈增大趋势。当凝固温度为580℃，Zn/Mg为2.24、2.36、2.71、2.96、3.56的凝固潜热依次为281.75J/g、282.48J/g、285.64J/g、287.96J/g、295.31J/g。而当凝固温度为655℃时，凝固潜热依次为1.09J/g、1.05J/g、0.95J/g、0.89J/g、0.77J/g。

图9 不同Zn/Mg与潜热的关系Fig.9 Relationship between different Zn/Mg and latent heat

图10为不同Zn/Mg的7A04铝合金的抗拉强度、屈服强度及维氏硬度的关系曲线。可知，随着Zn/Mg增大，抗拉强度、屈服强度及维氏硬度变化趋势基本一致，呈先降低后升高，再降低趋势。当Zn/Mg为2.24时，力学性能达到最高，抗拉强度、屈服强度和硬度依次为450.25MPa、330.33MPa 、148.03HV。当Zn/Mg为2.71时，力学性能最小，抗拉强度、屈服强度和硬度依次为307.22PMa、197.44PMa、99.36HV。

图10 不同Zn/Mg与力学性能的关系Fig.10 Relationship between different Zn/Mg and mechanical properties

2.4 Zn/Mg与其他物理参数的关系

表4为不同Zn/Mg的7A04铝合金其它物理参数数据。从表中可以看出，在室温(25℃)条件下，随着Zn/Mg递增，7A04铝合金的密度、杨氏模量、枝晶间距、剪切模量、导热系数均呈增大趋势；泊松比、体积弹性模量、平均膨胀系数均呈减小趋势。

表4 不同Zn/Mg与其他物理参数的关系(25℃下)

3 结论

(1)在7A04铝合金凝固过程中，随着Zn/Mg递增，液相线温度降低，固相线温度升高，除α-Al相，剩余主要MgZn2、Mg2Si、S、E和T析出相开始析出温度均降低。

(2)在Zn/Mg为2.24～3.56，Zn/Mg为2.24时，力学性能最大，抗拉强度、屈服强度和维氏硬度依次为450.25PMa、330.33PMa、148.03HV。

(3)随着Zn/Mg递增，液相线温度降低，固相线温度升高。

(4)随着Zn/Mg递增，密度、杨氏模量、枝晶间距、剪切模量、导热系数均呈增大趋势；泊松比、体积弹性模量、平均膨胀系数均呈减小趋势。