喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构演变及缺陷特性

熔体喷铸成型工艺中，通过多尺度表征与热力学计算发现，7055铝合金块材与飞溅粉末因滴落冲击机制差异形成等轴晶与树枝晶结构，孔隙率与晶界共晶（Mg(Zn,Cu)?、Al?Mg?(Zn,Cu)?等）分布密切相关，调整合金元素可降低孔隙敏感性而不影响力学性能。

　　

Zexiang Deng|Caini Liu|Guang Zeng|Yangchao Deng|Sansan Shuai|Baoshuai Han|Chuanrong Jiao|Yanjin Xu|Yong Zhang

中南大学材料科学与工程学院，中国长沙，410083

摘要

为优化高合金铝材的喷射成形工艺和成分制定实用的路线图对于在保持机械完整性的同时最小化缺陷至关重要。本研究采用多种多尺度表征技术和热力学计算方法，分析了喷射成形7055铝合金的凝固微观结构和缺陷形成过程。通过对坯料和过喷粉末的对比分析，发现两者之间存在显著差异：液滴撞击会引发枝晶破碎，导致坯料中出现等轴晶粒，而粉末中则形成枝晶结构。主要相包括不规则的晶界共晶（主要是Mg(Zn,Cu)₂、Al₂Mg₃(Zn,Cu)₃和Mg₂Zn₁₁），以及大量的Mg(Zn,Cu)₂和Al₂Mg₃(Zn,Cu)₃细小晶内金属间化合物。坯料的孔隙率存在差异，间隙孔隙通常被共晶包围，并在特定条件下会因热裂纹而加剧。在不过度影响坯料完整性的前提下，微调合金元素含量可能有助于降低孔隙敏感性。

引言

高强Al-Zn-Mg-Cu（7xxx）系列合金因其出色的比强度、抗疲劳性和断裂韧性而被广泛用于飞机主要部件[1]，[2]，[3]，[4]，这种性能得益于固溶处理和时效处理后Zn、Mg和Cu含量的提高[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。然而，进一步增加合金元素含量虽然可以提高溶质过饱和度，但也会扩大凝固范围，促进微观偏析和相关的凝固缺陷[12]。 喷射成形已成为高强Al-Zn-Mg-Cu（7xxx）系列合金的重要加工方法，因为它结合了熔融金属喷射和快速凝固过程（RSP）的特点，能够生成均匀细小的等轴晶粒，减少宏观偏析，并提高溶质过饱和度[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。喷射形成的坯料通常会经过热挤压以消除与喷射相关的缺陷[5]，[19]。研究表明，经过时效处理后可以获得更优异的性能。喷射成形后进行挤压处理可以使7055合金无孔隙；随后的挤压和热处理同时提高了强度和延展性，达到740 MPa的拉伸强度、16%的伸长率以及优异的吸能性能，与商用7055合金相当[19]。经过热挤压、固溶处理和T6时效处理后，合金的极限拉伸强度达到708 MPa，硬度为240 HV，伸长率为12.8%，其中MgZn₂沉淀物是T6状态下强度提高的主要原因[19]。Li等人[22]通过进一步增加和优化Mg + Cu含量，实现了812 MPa的极限拉伸强度，凸显了喷射成形制备高合金成分的巨大潜力。 喷射成形也存在固有的缺点，尤其是由于快速凝固和高合金含量导致裂纹敏感性和孔隙率增加[23]。根据Cave[24]的研究，喷射成形过程中的典型冷却速率为10¹至10⁴K/s。在这种速率下，晶粒生长时间不足，容易产生收缩应力，从而导致裂纹；因此喷射成形坯料的晶粒尺寸很大程度上受冷却速率控制[12]。高凝固速率还可能因气体夹杂和凝固收缩产生孔隙，使得典型的喷射成形坯料孔隙率约为1–2%，单个孔隙直径通常在1–2 μm左右[25]。喷射成形过程通常包括四个关键阶段：熔化和雾化、液滴和喷射动态、在生长表面上的沉积以及最终凝固和冷却[26]。已经开发出一种复杂的数值模型，用于模拟喷射成形过程中气体雾化液滴的动态和热历史[27]，该模型还能准确预测坯料顶面温度和固态分数[28]。按重要性排序，最具影响力的参数依次为：1) 液滴直径及其在喷射流中的分布；2) 雾化点的初始轴向气体速度及其随时间的衰减；3) 熔体质量流量；4) 雾化开始时的熔体过热度；5) 合金成分[28]。

然而，快速凝固速率也会使得整个沉积层形成完全等轴的晶粒结构，主要颗粒均匀分布在α-Al基体中[24]，[29]，[30]，[31]。因此，该工艺特别适合生产高合金含量的合金。例如，Sharma[29]研究了Zn、Cu、Cr和Zr含量升高以及喷射成形过程中气体与金属比例变化对高强7XXX合金微观结构和力学性能的影响。通过利用扩展的固溶度和快速凝固，这种方法增强了强化沉淀物和分散相的形成。Raju等人[32]研究了亚共晶和过共晶Al–Si二元合金，发现亚共晶组成为近球形硅颗粒，而过共晶组成为细小硅颗粒。他们的研究结果表明，即使在含Si量高达70%的合金中，也形成了等轴Si晶粒（5-7 μm），这些晶粒嵌入α-Al基体中。此外，喷射成形合金的微观结构更加细化，力学性能和耐磨性也优于铸造合金。

以往的研究主要集中在最终坯料的微观结构上，或将晶粒细化归因于较高的冷却速率[5]，[20]，[21]，[26]，[33]。而本研究通过对比喷射成形坯料和过喷粉末，试图揭示不同晶界共晶相在7055合金中形成间隙孔隙和热裂纹中的作用，并量化这些相的富集如何抑制晶间桥接，从而更深入地理解这种高强合金系统的缺陷生成机制。 对于7055等超高强合金变体而言，由于其更高的溶质含量，面临的具体挑战需要进一步研究。这种高合金含量会因凝固后期液膜持续存在而加剧热裂纹倾向。我们采用热力学建模不仅评估缺陷敏感性，还提出具体的成分调整方案。研究表明，在名义合金元素范围内进行微调可以改变凝固范围和液膜稳定性，从而在不过度影响机械完整性的前提下优化工业工艺和成分。

样本制备

样品制备

喷射成形过程如下：1) 将金属加热至700°C-750°C以形成液态金属；2) 经过脱气处理和去除表面夹杂物后，将液态金属通过石墨喷嘴在加压氩气中雾化，生成细小液滴，这些液滴在通过周围空气时转变为半固态；3) 半固态液滴沉积在旋转收集盘上，同时下降。

微观结构表征和凝固路径

将喷射成形样品的微观结构与经过相同处理的过喷粉末进行比较。图2(a-c)展示了喷射成形7055合金的微观特征：图2(a)为光学显微照片，可见灰色第二相、浅色基体和黑色孔隙；图2(b)为背散射（SEM-BSE）图像，显示白色棒状、点状沉淀相、块状半连续共晶相和灰色基体；图2(c)为IPF-Z图像。

讨论

本研究结合了分析型扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）、同步辐射X射线衍射（SR-XCT）和热力学计算方法，对喷射成形7055合金的微观结构演变、相形成和缺陷特性进行了全面分析，其详细程度在以往研究中较为罕见。 一个关键发现是通过对喷射成形坯料和过喷粉末的对比，揭示了由液滴撞击引起的枝晶破碎所驱动的独特凝固过程。

结论

本文系统地研究了喷射成形7055合金的凝固微观结构和缺陷。通过比较喷射成形坯料和过喷粉末的微观结构及元素分布，阐明了凝固过程。相鉴定揭示了合金的具体相组成，而对大尺度坯料中孔隙空间分布的分析揭示了其与共晶相的关系，并阐明了热裂纹的形成机制。

CRediT作者贡献声明

Yong Zhang：撰写、审稿与编辑、可视化、方法论、实验研究。 Chuanrong Jiao：可视化、实验研究。 Yanjin Xu：软件开发、方法论、概念设计。 Sansan Shuai：软件开发、方法论。 Baoshuai Han：软件开发、方法论、实验研究。 Guang Zeng：撰写、审稿与编辑、监督、实验研究。 Yangchao Deng：撰写、审稿与编辑、可视化、实验研究。 Caini Liu：撰写、审稿与编辑、可视化、方法论、实验研究。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本文期间，作者使用了Grok-3工具来提升文本的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB3403700）和上海同步辐射设施（仪器BL16U2，项目编号2023-SSRF-HZ-503114-2）的支持。G.Z还得到了湖南省科技创新计划（2025RC1013）的资助。

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