不同成分和熱處理制度對合金微觀組織結構與性能的影響

楊智強，朱甫宏

(1.東北石油大學，遼寧 大慶 163000;2.73021部隊，浙江 杭州 310023)

不同成分和熱處理制度對合金微觀組織結構與性能的影響

楊智強1，朱甫宏2

(1.東北石油大學，遼寧 大慶 163000;2.73021部隊，浙江 杭州 310023)

針對應用領域對合金性能提出的更高要求，以7056合金作為研究基礎，制備了包含不同Zn/Mg成分比的合金材料，并分析了單級和雙級不同時效制度對7056合金微觀組織和力學性能的影響。重點探討了在不同熱處理工藝條件下對合金材結構和性能的影響。

合金成分；時效制度；微觀組織；力學性能；成分比

超高強度Al-Zn-Mg-Cu系合金，以較高的比剛度、比強度被廣泛地應用在航空航天領域，如空客380民用運輸機身術條所采用的7055-T76511；但隨著材料技術的不斷發展和行業對合金要求的提高，材料研發者開始對合金成分和熱處理的工藝進行優化，以達到提高材料性能的目的。

1 合金制備與試驗方法

1.1 合金成分設計

本研究以7056鋁合金作為研究對象，制備了不同Zn/Mg成分比的Al-Zn-Mg-Cu板材，其具體成分見表1。

表1 試驗合金成分設計(質量分數) %

1.2 合金制備

合金原材料采用99.99%高純度鋁，99.9%高純度鎂，99.99%高純度鋅，Al-39.3%Cu、Al-4%Zr、Al-15%Mn和Al-4%Ti等中間合金。在制備過程中，采用的①號覆蓋劑(47%KCl-30%NaCl-23%Na3AlF6)對熔體進行保護，在鑄鐵模中進行澆鑄。熔鑄過程為在爐溫升至600 ℃以上后，加入合金原材料及其各種中間合金材料，待充分熔化之后扒渣，并加入覆蓋劑，溫度為760 ℃時，添加鋅、鎂，熔化后扒渣，采用六氯乙烷對其進行精煉除氣，并靜置>10 min，待溫度降至700 ℃后取出，通過鑄鐵模得到模型。通過試驗測定其化學成分見表2。

表2 試驗合金成分設計(質量分數) %

1.3 熱處理工藝

本研究采用單級時效和雙級時效工藝對合金的綜合性能進行評估，具體工藝見表3。

表3 7056鋁合金熱處理制度

2 不同熱處理工藝下的7056合金時效特性研究

2.1 單級時效特性研究

研究在單級時效條件下，不同Zn/Mg成分比的合金在不同時效溫度條件下(105、120、135和150 ℃)的時效特性(如維氏硬度、電導率)及顯微組織結構，以便更好地了解在不同時效下的動力學機制，為后續的7056鋁合金熱處理提供參考。

2.1.1 單級時效的硬度與電導率曲線

通過試驗可得到7056合金在105、120、135和150 ℃時效溫度下的硬度與電導率特性的曲線(見圖1)。

圖1 不同時效溫度下的硬度與電導率特性

從圖1可以看出，該合金具有極快的時效響應速度，在上述溫度下時效1 h，其硬度上升至188～206 HV，同時通過計算，其合金峰值硬度達到最高峰值的86.9%以上，時效溫度越高，其時效的反應速度也就越快，達到T6峰時效也就越短。4種不同溫度下其達到T6峰值的時效時間其分別為20、12、6和3 h，與之前的很多文獻所報道的在120 ℃峰時效24 h和在150 ℃峰時效的8～12 h的時間相比較大幅度提前。

通過圖2a的硬度特性曲線可以看出，7056合金在105和120 ℃溫度的時效過程中，硬度在達到峰值后較長時間以內未出現大幅度的下降，時效在40 h后將繼續延長時效時間，并且硬度幾乎保持不變。時效在150 h之后，硬度仍能保持在205或200 HV左右；但在150 ℃時效60 h后，硬度降低至160 HV，隨后開始緩慢的下降。合金在135 ℃時效時，時效在16～40 h這個階段，其硬度在202～205 HV波動。

通過圖2b的電導率可以看出，在低溫105和120 ℃下，時效在初期0～1 h，電導率呈現逐步下降后緩慢上升的走向，整個電導率的變化都表緩慢和平緩。在150 h后，電導率分別為27.4%I和31.4%。在高溫條件下(135和150 ℃)，電導率變化趨勢比較明顯，并在時效150 h后，其電導率可達到33.7%IACS。

2.1.2 不同Zn/Mg比對合金性能的影響

從圖2可以看出，在峰時效之前在硬度和電導率方面的變化基本相同，但是在進入時效之后，Zn/Mg比最高的3#的硬度下降最快，電導率也上升的最快。從整體來看，Zn/Mg比越高的，電導率越高，硬度也就越低，在上述時效溫度變化的情況下，Zn/Mg比變化為造成7056合金性能的變化。而當溫度在達到150 ℃之后，在硬度和電導率方面的變化速率都很快。其中，Zn/Mg比最高的3#在150 ℃時效要提前2 h，硬度要低于1#、2#。

從綜合性能比較來看，在120 ℃/12 h時其性能最好，綜合性能排序為1#>2#>3#。

2.2 雙級時效工藝特性研究

通過在T6峰的時效處理可以使得合金達到比較高的強度，但是針對高性能的合金材料， SCR性能和斷裂鋪性能所體現出的劣勢則嚴重制約著材料的應用；因此，在對合金材料的特性評價中，除單級條件下的特性研究外，通常還對多級條件下的合金性能進行研究。對此，本文對在多級性能條件下的7056合金熱工藝處理，并對其綜合性能和顯微結構進行觀察。傳統的T7過時效制度根據其時效程度的不同，將其分為T73、T74、T76 3種不同制度，但很多研究者認為，T7過時效制度會給合金的綜合性能帶來很大的影響，如中南大學的研究者認為采用先低溫后高溫的方式，可明顯提高合金的電導率；但是很難保障合金的綜合性能。對此，本文采用先高溫后低溫的雙級時效工藝。

圖2 3種合金在105、120、135和150 ℃下的硬度與電導曲線

在工藝制造中，中厚板Al-Zn-Mg-Cu合金因不同厚度層其溫度不均勻，以此導致其內部存在著顯微結構差異，而只有在時效足夠長的條件下，才能使得合金在整體的組織上可以趨于達到均勻，最后達到最為理想的熱處理的效果；因此，采用高溫短時和低溫長時的時效工藝，可改善7056合金的綜合性能。參考各種資料，選擇L9(34)正交表對其中的T79熱工藝進行研究，其因素水平見表4。

表4 先高溫后低溫的雙級時效因素-水平表

本文以2#作為研究對象，則可以得到正交結果見表5。

表5 2#鋁合金先高溫后低溫的雙級時效正交試驗結果

通過表5可以看出，第1級時效溫度對2#合金的硬度的影響其最為大，第2級時效影響其次。

在不考慮電導率的情況下，選擇A2*B1+C3*D3更有利于該合金的硬度。同時針對電導率來看，則選擇A3*B3+C3*D3更有利于其電導率。綜合考慮上述問題可以得到，對于2#合金，其最佳的雙級時效的工藝為：A2*B2+C3*D3，即150 ℃/5 h+135 ℃/24 h。因此，依次對不同的工藝進行研究，最終可得到適合先高溫后低溫的熱處理制度，應選擇155 ℃/2h+125 ℃/24h。

3 結語

7056合金有著極快的響應速度，時效溫度越高，其響應速度也就越快。該合金其在105和150 ℃時效為1 h，硬度分別為188.3和206.2 HV。適合該合金的最佳T6峰時效制度為120 ℃/12 h。不同雙級工藝方式下，在接近T6峰時效的基礎上，可進一步的接近該T6峰時效的強度，而在雙級時效制度的關鍵在于對溫度的控制。對整體來講，最優的工藝為155 ℃/2 h+125 ℃/24 h。

[1] 張利軍,申偉.薄壁鋁合金材料熱處理工藝技術研究[J].新技術新工藝.2013(6)：104-105

[2] 李松瑞,周善初,田榮璋.金屬熱處理[M].長沙：中南大學出版社,2003(5):234-235.

[3] 范述寧.S32750+Q345R不銹鋼復合厚鋼板熱處理工藝研究[J].新技術新工藝.2013(1)：83-84.

責任編輯李思文

DifferentCompositionandHeatTreatmentSystemontheInfluenceofStructureandPerformanceofAlloyMicrostructure

YANG Zhiqiang1,ZHU Puhong2

(1.Northeast University of Petroleum, Daqing 163000, China; 2.73021 Troop, Hangzhou 310023, China)

In view of the application field of alloy performance put forward higher requirements, based on the study of the 7056 alloy, prepared containing different composition than the alloy material, and analyzed the single stage and double stage different limitation system influence on the microstructure and mechanical properties of 7056 alloy. And mainly discussed the impacts on structure and performance of alloy under different heat treatment process conditions.

alloy composition, aging system, microstructure, mechanical properties, ingredients

TG 162.1

：A

楊智強(1989-)，男，碩士研究生，主要從事金屬材料工程等方面的研究。

2014-12-04