基于正交試驗的7085鋁合金雙級時效制度

龍濤，鄧運來, 2，范世通，張研

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基于正交試驗的7085鋁合金雙級時效制度

龍濤1，鄧運來1, 2，范世通1，張研1

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083； 2. 中南大學 高性能與復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

采用正交試驗，研究7085鋁合金雙級時效的預時效時間、二級時效溫度和時間3個因素對硬度和電導率的影響，運用方差分析法研究3個影響因素的顯著性，采用室溫拉伸、慢應變速率拉伸和透射電鏡觀察等方法研究二級時效溫度和時間對7085鋁合金組織性能的影響。研究結果表明：3個因素的顯著性從大到小為二級時效溫度、二級時效時間、預時效時間。二級時效溫度的提高和時間的延長使晶內′相轉變為相、晶界相粗化且不連續，導致合金強度降低、抗應力腐蝕性能大幅提高，其中溫度的影響作用更為顯著，與正交試驗結果相符。該合金最佳的T76雙級時效工藝為：121 ℃/5 h+163 ℃/12 h，其抗拉強度和屈服強度分別為530 MPa和483 MPa，伸長率為14.2%，電導率為22.9 MS/m。

7085鋁合金；正交試驗；雙級時效；拉伸性能；應力腐蝕

Al-Zn-Mg-Cu合金具有高比強度、較好的抗腐蝕性能和斷裂韌性，廣泛應用于飛行器的主承力結構 件[1?3]。20世紀60年代之前，Al-Zn-Mg-Cu合金主要采用T6峰值時效以獲得較高的強度，但斷裂韌性和抗腐蝕性能較差[4]。為了提高合金的抗腐蝕性能，美國Alcoa公司開發了T7x過時效工藝，而這使強度降低了10%~15%[5?7]?；貧w再時效(RRA)處理則可使合金在保持高強度的同時提高合金抗腐蝕性能。然而，由于RRA處理的回歸處理階段時間較短而難以應用于厚板生產[8?9]，因此，在實際工業生產中，T7×熱處理制度仍然是首選。眾多學者對Al-Zn-Mg-Cu合金的雙級時效制度進行了大量的研究[10?11]，通過低溫時效在較短時間內形成GP區，然后釆用高溫二級時效促使GP區向′相轉變；選擇合適的二級時效溫度和時間細化晶內′相并使之彌散分布，抑制′相轉變成粗大的相提高合金的強度，同時促進晶界相斷續分布并使之發生粗化，從而達到提高合金的抗腐蝕性能目的[12?13]。以往的研究主要集中于針對特定的合金研究幾種特定的雙級時效制度，并從中選出最優制度，然而分別對預時效時間，二級時效溫度和時間與合金組織、性能的關聯規律研究較少，尤其是對3個因素影響力的大小即顯著性缺乏有效、量化的評價。本文作者以7085鋁合金板材為例，采用正交試驗研究雙級時效制度對其硬度和電導率的影響，通過方差分析和F檢驗給出3個影響因素顯著性的量化指標，同時給出3個因素的影響規律和最優雙級時效工藝；并通過室溫拉伸和慢應變速率拉伸實驗對正交試驗結果進行驗證。本研究的目的不僅是提供7085鋁合金的最優雙級時效制度，還期望為時效強化型鋁合金工程化雙級時效制度的開發提供一種普適性研究方法。

1 實驗材料與方法

實驗材料為經輥底式噴淋淬火處理的180 mm厚7085鋁合金淬火態板材，其化學成分(質量分數，%)為：Al-7.5Zn-1.6Mg-1.7Cu-0.11Zr，(Fe)＜0.08，(Si)＜0.06。從板材中心層處切取2 mm厚的試樣，進行不同雙級時效處理。雙級時效的預時效溫度為121 ℃，對其他3個工藝參數(預時效時間1，二級時效溫度和時間2)進行L16(43)正交實驗，因素水平設計如表1所示。

硬度測試在HV?10B型維氏硬度計上進行，加載載荷為29.4 N，加載時間為 15 s，每個樣品測量至少5個數據后取平均值。電導率測試在7501渦流導電儀上進行。室溫拉伸性能測試在CSS?44100萬能試驗機上進行，拉伸試樣按GB/6497—14規定取軋制方向的3個平行樣，拉伸速率為2 mm/min。采用光滑試樣的慢應變速率拉伸(slow strain rate tension，SSRT)方法評定應力腐蝕敏感性，拉伸速率為2×10?6s?1，斷口分析在EVO?MA10掃描電子顯微鏡上進行。透射電鏡(TEM)分析在Tecnai G220電鏡上進行，加速電壓為200 kV，樣品采用電解雙噴方法制備，電解液為20%HNO3+80%CH3OH(體積分數)，溫度控制在?30~ ?20 ℃之間。

表1 雙級時效因素水平表

2 實驗結果

2.1 正交試驗結果與分析

為了比較各因素對性能影響的顯著性，對正交試驗結果(表2)進行方差分析，得到硬度和電導率的方差分析表(表3)。采用方差分析法，不僅能對各因素的重要程度進行精確的數量估計，有利于選取影響顯著的因素的最佳水平, 而且對影響不顯著的因素可以選取有利于指標要求的水平[14]。由表2和表3可知：隨二級時效溫度提高和時間延長，合金的硬度降低，電導率提高；二級時效溫度的方差和值均最大，二級時效時間次之，預時效時間最小，即3個因素對硬度和電導率影響的顯著性由大到小順序為二級時效溫度、二級時效時間、預時效時間。由此可見，二級時效溫度是影響合金性能的決定因素，在一定范圍內改變二級時效時間可微調合金性能，預時效時間的影響可 忽略。

AMS 4329A標準規定7085鋁合金板材T76狀態的抗拉強度大于515 MPa，電導率大于22.6 MS/m[15]。結合正交試驗結果可知：當二級時效溫度不低于 163 ℃時，合金的電導率超過22.6 MS/m，同時，為了獲得較高的強度，選擇163 ℃為第二級時效溫度。

2.2 時效制度對室溫拉伸性能和電導率的影響

為進一步優化7085鋁合金的雙級時效工藝，根據正交試驗結果，選定預時效制度為121 ℃/5 h，選擇153，163和170 ℃為二級時效溫度，10，12和14 h為二級時效時間，測試室溫拉伸性能以驗證正交試驗結果。

表2 正交試驗表及結果

表3 硬度和電導率方差分析表

注：為各因素均方與隨機誤差均方的比值，當大于0.05=9.28時，影響顯著。

表4所示為經過不同時效制度處理的7085鋁合金室溫拉伸性能和電導率。由表4可知：隨著二級時效溫度提高和時間延長，合金的屈服強度和抗拉強度降低，伸長率提高；且二級時效溫度對性能造成的影響大于二級時效時間所造成的影響，與正交試驗結果相符。經 121 ℃/5 h+163 ℃/12 h處理后，合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率和電導率分別達到530 MPa，483 MPa，14.2%和22.9 MS/m，此時，屈服強度比 121 ℃/24 h峰時效時降低10%，抗拉強度降低9.7%，而伸長率提高35%，電導率提高17%。因此，選擇 121 ℃/5 h+163 ℃/12 h作為7085鋁合金板材T76雙級時效制度。

表4 不同時效制度下7085鋁合金的室溫拉伸性能和電導率

2.3 雙級時效制度對抗應力腐蝕性能的影響

圖1和圖2所示分別為經不同雙級時效處理的7085鋁合金在空氣和3.5%(質量分數)NaCl溶液中的慢應變速率拉伸曲線。從圖1和圖2可知：隨著二級時效溫度提高和時間延長，合金在斷裂前的位移增大，而位移越大表明樣品的抗應力腐蝕性能越好[16]，因此，7085鋁合金的抗應力腐蝕性能隨著二級時效溫度提高和時間延長而增強。應力腐蝕指數SSRT是將慢應變速率拉伸實驗中的各項性能綜合處理的結果，其計算式[17]為

式中：N和N分別為3.5%NaCl溶液中的抗拉強度和伸長率；A和A分別為空氣中的抗拉強度和伸長率。SSRT越小，合金抗應力腐蝕性能越好。表5所示為經不同雙級時效制度處理的7085鋁合金應力腐蝕指數。由表5可知：隨著二級時效溫度提高和時間延長，合金的應力腐蝕指數降低，抗應力腐蝕性能增強，且二級時效溫度對抗應力腐蝕性能造成的影響大于二級時效時間所造成的影響。經121 ℃/5 h+170 ℃/12 h雙級時效處理，合金的應力敏感指數僅為0.022，抗應力腐蝕性能最好。

經不同二級時效溫度時效12 h后，7085鋁合金在空氣和3.5%NaCl溶液中的慢應變速率拉伸斷口形貌分布分別如圖3和圖4所示。從圖3可知：合金在空氣中的斷裂方式均為韌窩型延性斷裂，且隨著二級時效溫度的提高，韌窩數量增加，尺寸更加小，塑性增加。從圖4可知：合金在質量分數為3.5%的NaCl溶液中為韌性斷裂與沿晶斷裂結合，且隨著二級時效溫度提高，韌窩數量增加，分布更加均勻。對比圖3和圖4，相比于3.5% NaCl溶液，合金在空氣中的拉伸斷口韌窩數量更多，尺寸更加小，塑性更好。這與慢應變速率拉伸試驗數據規律相吻合。

圖1 不同二級時效溫度時效12 h的7085鋁合金慢應變速率拉伸曲線

圖2 二級時效溫度為163 ℃時效不同時間的7085鋁合金慢應變速率拉伸曲線

表5 不同雙級時效制度下7085鋁合金的應力腐蝕敏感性

溫度/℃：(a) 153；(b) 163；(c) 170

2.4 雙級時效制度對顯微組織的影響

圖5所示為7085鋁合金經不同二級時效溫度時效12 h后沿á001?方向的晶內、晶界相形貌。經121 ℃/ 5 h+153 ℃/12 h時效后，晶內析出細小而彌散的球狀′相，粒徑為4~7 nm(圖5(a))；當二級時效溫度提高到163 ℃時，晶內球狀′相數量減少而粒徑增大，粒徑為7~12 nm(圖5(c))；當二級時效溫度進一步提高到170 ℃時，晶內析出2種不同形狀的相：球狀的′相(粒徑為13~15 nm)和短棒狀的相(長約為21 nm，寬約為14 nm)(圖5(e))。由于位錯的切過機制比繞過機制對合金的強化效果好，因此，Al-Zn-Mg-Cu合金的力學性能主要由晶內析出的GP區和′相的體積分數、形貌、尺寸和分布所決定，析出相的體積分數越大，分布越均勻致密，合金的強度越高[18]。隨著二級時效溫度提高，′相發生明顯粗化，且大量′轉變為相，降低對位錯的阻礙作用，導致合金強度顯著降低；當二級時效制度為170 ℃時，晶內出現相導致合金的力學性能急劇下降。為保證合金強度，晶內應該避免出現相[19]，因此，合適的二級時效溫度為163 ℃。

溫度/℃：(a) 153；(b) 163；(c) 170

溫度/℃：(a)，(b) 153；(c)，(d) 163；(e)，(f) 170

由圖5(b)，(d)和(f)可見：隨著二級時效溫度提高，晶界相明顯粗化，逐漸變得不連續。Al-Zn-Mg-Cu合金的應力腐蝕開裂機理主要為陽極溶解和氫致開 裂[20?21]。晶界相電位低于Al基體，優先發生腐蝕溶解，斷續分布的相阻礙腐蝕的擴展；同時晶界處粗大的相捕捉H重新合成H2從而降低晶界處H的濃度并且降低裂紋擴展速率，顯著提高抗應力腐蝕 性能[22]。

圖6所示為7085鋁合金二級時效溫度為163 ℃時效不同時間后沿á001?方向的晶內、晶界相形貌。經121 ℃/5 h+163 ℃/10 h時效后，晶內析出細小而彌散的球狀′相，其粒徑為6~10 nm(圖6(a))；當二級時效時間延長到12 h時，晶內相數量減少而尺寸增大，粒徑為7~12 nm(圖6(c))；當二級時效時間延長到14 h時，晶內析出相由少量短棒狀的相(長約為18 nm，寬約為12 nm)和大量球狀的′相(粒徑為11~13 nm)組成(圖6(e))。隨著二級時效時間的延長，′相粗化，且少量′轉變為相，合金力學性能降低。

由圖6(b)，(d)和(f)可見：隨著二級時效時間延長，晶界相粗化，逐漸變得不連續，合金的抗應力腐蝕性能增強。

由圖5和圖6可見：二級時效溫度從153 ℃提高到170 ℃時，晶內′相由4~7 nm粗化到13~15 nm，出現較多的大尺寸短棒狀相；而二級時效時間從 10 h延長到14 h時，晶內′相僅由6~10 nm粗化到11~12 nm，短棒狀相數量較少。二級時效溫度的提高對晶內和晶界特征的影響遠大于時間延長造成的影響，因此，二級時效溫度是影響合金性能的決定因素，而改變二級時效時間可微調合金性能。

3 結論

1) 雙級時效制度中二級時效溫度是影響合金性能的決定因素，在一定范圍內改變二級時效時間可微調合金性能。

2) 7085鋁合金T76雙級時效工藝為：121 ℃/5 h+ 163 ℃/12 h，其抗拉強度和屈服強度分別為530 MPa和483 MPa，伸長率為14.2%，電導率為22.9 MS/m。

3) 隨二級時效溫度提高和時間延長，晶內由′相轉變為η相，且數量減少、尺寸增大，晶界相逐漸粗化且不連續，導致合金的強度降低，電導率和抗應力腐蝕性能提高。

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(編輯 楊幼平)

Two-step aging treatment of 7085 alloy with orthogonal experiment

LONG Tao1, DENG Yunlai1, 2, FAN Shitong1, ZHANG Yan1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

The effect of pre-aging time, secondary aging temperature and time of two-step aging on hardness and conductivity of 7085 aluminum alloy was investigated by orthogonal experiment. The significant regularity was studied by variance analysis, and the influence of secondary aging temperature and time on microstructure and properties of 7085 aluminum alloy was investigated by means of tensile test, slow strain rate test (SSRT) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the significant regularity (from big to small) of three factors is secondary aging temperature, secondary aging time, pre-aging time′phase transforms tophase gradually, grain boundary precipitates become coarse and tend to be discontinuous with the increase of the secondary aging temperature and time. Thus, the strength of alloys decreases while the stress corrosion cracking (SCC) resistance increases. The influence of secondary aging temperature is more significant. During the optimal two-step aging treatment of 121 ℃/5 h+163 ℃/12 h, the tensile strength, yield strength, elongation and conductivity of the alloy are 530 MPa, 483 MPa, 12.6%, 22.9 MS/m, respectively.

7085 alloy; orthogonal experiment; two-step aging; tensile properties; stress corrosion

TG146.2+1

A

1672?7207(2018)04?0809?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.006

2017?04?29；

2017?06?22

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2012CB619500)；國家重點研發計劃項目(2016YFB0300901)；國家自然科學基金資助項目(51375503)(Project(2012CB619500) supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China; Project(2016YFB0300901) supported by Major State Research Program of China; Projects(51375503) supported by the National Natural Science Foundation of China)

范世通，博士研究生，從事高性能鋁合金研究；E-mail：fanstone95@163.com