Retrogresyon Ve Yeniden Yaşlandırma (rra) Uygulanmış 7075 Alaşımının Şekillendirilebilirlik Parametrelerine Ara Deformasyon İşleminin Etkisi

Abstract

Yüksek mukavemetli yaşlandırılmış 7xxx serisi Al-Zn-Mg-Cu alaşımları, zorlayıcı çalışma koşullarının etkin olduğu uçak yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalar için dikkat edilmesi gereken önemli özellikler, dayanım, süneklik, korozyon direnci ve hasar toleransıdır (örneğin kırılma tokluğu ve yorulma dayanımı). 7075 aluminyum alaşımı 70 yıl önce geliştirilmiş olsa da son on yılda bu alaşım üzerine hala pek çok araştırma yapılmaktadır. 7xxx serisi alaşımlarda, ana alaşım elementi olarak çinko bulunmakla birlikte, önemli oranda bulunan diğer alaşım elementleri bakır ve magnezyumdur. Bu alaşımların mukavemeti, çökelme sertleştirmesi olarak tanımlanan ve T6 temper simgesi ile gösterilen bir ısıl işlemle arttırılabilir. T6 ısıl işlemi mekanik özellikleri geliştirmek için uygulanan ana ısıl işlemlerden biridir ve bu kazanım, çözeltiye alma ve yaşlandırma aşamaları parametrelerinin optimizasyonu ile sağlanabilir. Dövme 7075-T6 Al alaşımı, 25 -100C sıcaklık mükemmel mukavemete sahip çökelmeyle sertleştirilmiş bir alaşımdır. Alaşımın çekme mukavmeti, 100ºC üzerindeki sıcaklıklarda hızla düşmektedir. RRA (Retrogresyon ve yeniden yaşlandırma) ısıl işlemi, T6 ısıl işlemine göre daha iyi mekanik mukvamet ve korozyon direnci sağlayan bir ısıl işlemdir. Bu durum literatürde önerilen sıcaklık aralığı (220 - 280C) dışında kalan daha düşük bir aralığındaki (160 - 220C ) retrogresyon sıcaklıkları için de geçerlidir. RRA ısıl işlemi, T6 temper durumundaki bir alaşıma uygulanan iki kademeli bir ısıl işlemdir: Birinci aşama (retrogresyon aşaması) daha yüksek bir sıcaklıkta yapılır ve daha sonra alaşım T6 ısıl işlemininki ile aynı koşulda yeniden yaşlandırılır (yeniden yaşlandırma aşaması). 7075 alaşımının RRA ısıl işleminin ilk aşamasında, malzeme solvus sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa tuz banyosu içinde ısıtılmakta ve sonra soğuk suda su verilmektedir. Bu aşama retrogresyon aşaması olarak adlandırılmaktadır. Malzeme daha sonra yüksek mukavemet elde etmek için 120ºC’de 24 saat süreyle yaşlandırılmaktadır. Retrogresyon solvus sıcaklığı altında bir sıaklıkta yapılsa da, bu sıcaklık GP zonlarının ve ince ' (MgZn2) partiküllerinin çözünmesine yetecek kadar yüksek olmalıdır. RRA ısıl işlemi sonrası elde edilen mikroyapı, tane içlerinde, T6 temper durumundakine benzer şekilde ince ' çökeltileri, tane sınırlarında ise T7 temper durumundakine benzer şekilde fine  çökeltilerinden oluşmaktadır. Bu mikroyapı bileşenleri dayanımda bir düşme yaratmaksızın korozyon direncini arttırabilir. Yüksek yoğunluktaki ince çökeltiler alaşıma mukavemet sağlarken, tane sınırlarındaki  partikülleri yüksek korozyon direnci sağlamakatadır. Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) alaşımlarının retrogresyon ısıl işlemi sırasında, tane içlerinde daha az kararlı olan mikroyapısal bileşenlerin (GP zonları ve daha ince ' çökeltileri) çözünmesi meydana gelirken, yeniden yaşlandırma, ' partiküllerinin tekrar çökelmesini ve var olan partiküllerin ise büyüyerek partiküllerine dönüşmesini sağlamaktadır. Bu bakımdan, retrogresyon ve yeniden yaşlandırma ısıl işlemi, tane içi ve tane sınırlarında bulunan partiküller arasındaki, boyut, mesafe ve dağılım farkını artmaktadır. Bu çalışmada kullanılan malzeme ticari 7075-T6 (Al-Zn-Mg-Cu) alaşımıdır. Boyutları 2000 mm x 1000 mm x 2 mm (U x G x K) olan plaka şeklinde temin edilmiştir. Alaşıma üretim sonrası T6 ııl işlemi uygulanmıştır. Ticari T6 ısıl işlemi prosedürü, 475C sıcaklıkta 30 dakika süreyle çözeltiye alma ısıl işleminin ardından suda su verme ve ardından 120C’de 24 saat süreyle yaşlandırma işleminden ibarettir. Çalışmada kullanılan çekme deneyi numuneleri, plakanın hadde yönüne 0, 45 ve 90 açılarda çıkarılarak hazırlanmıştır. Bu çalışmada, ara deformasyon işleminin RRA uygulanmış alaşımın, mukavemet ve şekillendirilebilirlik parametrelerine etkisini incelemek amacıyla, çekme deneyleri yapılarak, akma dayanımı, çekme dayanımı, çekme deformasyon sertleşmesi üssü (n değeri) ve anizotropi katsayısı (R değeri) belirlenmiştir. Deneysel çalışma sonuçları, incelenen tüm oryantasyonlar için, RRA uygulanmış numunelerin akma ve çekme dayanımı ile sertliğinin T6 temper durmundaki alaşıma göre düştüğünü göstermektedir. Öte yandan, 250C’de retrogresyon uygulanan numunenin, retrogresyon ve yeniden yaşlandırma uygulanan numuneler içinde en yüksek akma ve çekme dayanımına sahip olduğu görülmüştür. 220C ve 280C sıcaklıkrada retrogresyon uygulanan numunelerin akma ve çekme dayanımı değerleri ise oldukça benzer olarak belirlenmiştir. Yüksek mukavemet açısından, 250C’nin optimum retrogresyon sıcaklığı olduğu belirlenmiştir. Ancak bu çalışmanın amacı, mukavemeti T6 seviyesine yakın bir değerde korurken, şekillendirilebilirlik parametrelerini mümkün olduğu kadar iyileştirmektir. Bu nedenle, deformasyon sertleşmesi üssü (n) ve anizotropi katsayısı (R) gibi şekillendirilebilirlik parametreleri de bu çalışmada incelenmiştir. Uygulanan ara deformasyon miktarının artmasının deformasyon sertleşmesini azaltıcı bir etkisi olduğu belirlenmiştir. Bu davranış, incelenen tüm numune oryantasyonlarında gözlenmiştir. Retrogresyon sıcaklığının deformasyon sertleşmesi üzerine önemli bir etkisi olduğu ve artan retrogresyon sıcaklığı ile deformasyon sertleşmesi üssü değerinin de arttığı belirlenmiştir. En yüksek deformasyon sertleşmesi üssü değeri, bu çalışmada kullanılan en yüksek retrogresyon sıcaklığında (280C) elde edilmiştir. Anizotropi katsayısı, haddeleme yönüne 45 açıyla yönlenmiş numunede diğer oryantasyonlara (0 ve 90) göre daha yüksektir. Ancak retrogresyon sıcaklığı ile anizotropi katsayısı arasında belirgin bir ilişki belirlenmemiştir. Diğer taraftan, anizotropi katsayısı, artan ara deformasyon miktarına bağlı olarak azalma eğilimi göstermektedir. Bu etki, 220C ve 280C retrogrsyon sıcaklıklarında daha belirgin olarak gözlenmiştir.

High-strength age-hardened 7xxx series Al−Zn−Mg−Cu alloys are widely used for aircraft structures, where they are subjected to demanding operating conditions. Important properties that must be considered for these applications are strength, ductility, corrosion resistance and damage tolerance (e.g. fracture toughness and fatigue resistance). Even though 7075 aluminum alloy was developed over 70 years ago, many researches still have been performed on it in the past decade. 7xxx series alloys have zinc as their main alloying element, often with significant amounts of copper and magnesium. They can be strengthened through precipitation hardening treatment which is designated by T6 temper. T6 heat treatment is a major heat treatment to enhance mechanical properties of the alloy which can be achieved through an optimization of both solution heat treatment and artificial aging parameters. Wrought 7075-T6 Al alloy is a precipitation-hardened alloy that possesses excellent mechanical properties at temperatures between 25 and 100C. Its tensile strength sharply decreases with increasing temperature at temperatures above 100C. RRA (retrogression and reaging) heat treatment is capable of producing a material with mechanical strength and stress corrosion resistance higher than those presented by the T6 temper. This is true even for a lower range of retrogression temperatures (from 160 to 220C) than that recommended in the literature (220-280C). RRA consists of applying to the alloy in the T6 temper a double stage thermal cycle: The first stage (retrogression stage) runs at higher temperature and is followed by a stage similar to that used to obtain the T6 temper (re-aging stage). The heat treatment process of RRA for 7075 alloy involves a material being heated to a high temperature just below the solvus line for a short period of time in a salt bath and after that, sample is quenched in cold water. This step of the process is called retrogression. The material is then reaged for 24 hours at 120C to give it its peak strength. Even though retrogression should be carried out at a temperature below the solvus line of the alloy, but it should be high enough to allow for the partial or complete dissolution of GP zones and fine ' (MgZn2) precipitates. The microstructure resulting from the RRA is fine η' precipitates within the grains similar to the T6 condition and η precipitates distribution at the grain boundaries similar to the T7 temper. This combination of the microstructure can improve corrosion resistance without strength loss. The high density of fine precipitates is responsible for the high strength, η precipitates at the grain boundaries are responsible for high corrosion resistance. For Al–Zn–Mg–Cu (7xxx) alloys, retrogression is responsible for the dissolution of the less stable microstructural constituents(GP zones and the finer particles of η') inside the grains, and re-aging promotes the re-precipitation of η' whilst its pre-existent particles grow and transform to η. Hence a retrogression and reaging process can increase the difference of size, spacing and distribution between grain and grain boundary precipitates. The material used in this study is a commercial 7075-T6 aluminum alloy (Al–Zn–Mg–Cu alloy). It was received in the form of sheet with the dimensions of 2000 mm x 1000 mm x 2 mm (l x w x t). The alloy has been given T6 temper. Commercial heat treatment procedure for T6 temper is solution treatment at 475C for 30 min., quenched in water, and then artificially aged at 120C for 24 h. Tensile test samples were cut from the plate in different orientations such as 0, 45 and 90 to the rolling direction. In order to investigate effect of intermediate deformation on strength and formability parameters of RRA treated alloy, tensile tests were applied to determine yield strength, ultimate tensile strength, tensile strain hardening exponents (n -values) and anisotropy coefficient (R values). Results show that for all rolling orientations, yield and tensile strength of RRA samples decrease with respect to those of T6 tempered sample. On the other hand, the sample retrogressed at 250C has the highest UTS and yield strength, while 220C and 280C have nearly similar UTS and yield strength. In the view point of high strength, it is determined that 250C is the optimal temperature for retrogression but in this study, since the main aim is to improve formability parameters as high as possible by keeping strength close to that of T6 level, formability parameters such as deformation hardening exponent (n) and anisotropy coefficient (R) were also be investigated. Increasing amount of intermediate deformation has a decreasing effect on strain hardening exponent. Same tendency was observed for all sample orientations.. Retrogression temperature has a strong effect on strain hardening exponent. As the retrogression temperature increases, strain hardneing exponent also increases accordingly. The highest strain hardening exponent values were obtained from the samples retrogressed at the highest retrogression temperature in this study (280C). Anisotropy coefficient is higher for the samples oriented 45 to the rolling direction than those oriented 0 and 90. However, there is no apparent relationship between the anisotropy coefficient and retrogression temperature. On the other hand, anisotropy coefficient exhibited a decreasing trend with respect to the increasing intermediate deformation. It is more apparent that for the retrogression temperatures of 220 and 280C.