7xxx系鋁合金熱處理工藝探討

張人杰 尚麗麗

摘 要：因?yàn)殇X合金無(wú)磁性、密度較低、散熱功效好，同時(shí)具備非常高的強(qiáng)度，因此現(xiàn)階段在各個(gè)領(lǐng)域均有著大量的運(yùn)用。7xxx系鋁合金是一種中高強(qiáng)度鋁合金，不僅具備較高的強(qiáng)度，同時(shí)具備極強(qiáng)的加工性能與焊接性能等，其必然會(huì)獲得大量的運(yùn)用。本文就7xxx系鋁合金的熱處理工藝進(jìn)行深入地探討。

關(guān)鍵詞：7xxx系鋁合金；熱處理；工藝

1 引言

高強(qiáng)鋁合金憑借其強(qiáng)度高、密度較小以及優(yōu)異的焊接性能等大量的運(yùn)用至航空航天等相關(guān)機(jī)構(gòu)。所以，各個(gè)國(guó)家的材料研究人員近幾年內(nèi)始終高度關(guān)注對(duì)于超高強(qiáng)鋁合金的分析。經(jīng)過(guò)改善合金的組分，運(yùn)用全新的制坯手段與熱處理技術(shù)，研制出不但具備600 MPa級(jí)抗拉強(qiáng)度，同時(shí)可以維持極強(qiáng)的耐腐蝕性、韌性與成本費(fèi)用偏少的超高強(qiáng)鋁合金，進(jìn)而推動(dòng)此原料在航空工業(yè)領(lǐng)域的充分運(yùn)用。

2 7xxx系鋁合金發(fā)展簡(jiǎn)介

在二十世紀(jì)初期，德國(guó)學(xué)者便開(kāi)發(fā)出了Al-Zn-Mg系合金，然而因?yàn)榇祟?lèi)合金抗剝落性與抗SCC性較差并沒(méi)有獲得產(chǎn)業(yè)運(yùn)用。由二十世紀(jì)三十年代至二戰(zhàn)結(jié)束這一時(shí)間段內(nèi)，專(zhuān)家學(xué)者們?cè)诜治鲞^(guò)程中發(fā)現(xiàn)Cu元素能夠加強(qiáng)合金的綜合力學(xué)性能，研發(fā)出了大量的Al-Zn-Mg-Cu系合金，卻完全忽略了對(duì)于Al-Zn-Mg系合金的分析。蘇、美等國(guó)家以Al-Zn-Mg-Cu系合金為基石研發(fā)出了B95、7075等合金，當(dāng)今依然有著大量的運(yùn)用，然而在運(yùn)用過(guò)程中仍然無(wú)法達(dá)到抗SCC性、強(qiáng)度以及韌性間的最優(yōu)組合。在二十世紀(jì)中葉，德國(guó)開(kāi)發(fā)出了具備較強(qiáng)焊接性能的合金AlZnMg2與AlZnMg1，吸引了人們對(duì)于Al-Zn-Mg系合金的高度關(guān)注。在這一階段，以AlZnMg1合金為基石，美國(guó)專(zhuān)家融入了M n、Cr以及Zr等其它相關(guān)元素，開(kāi)發(fā)出了7004與7005合金，取得了優(yōu)良的抗SCC性能與焊接性能，然而合金的工藝性能并不是非常之好，因此日本專(zhuān)家經(jīng)過(guò)減少M(fèi)g含量與增加Zn/Mg值開(kāi)發(fā)出了ZK61與ZK60和合金，取得極高的工藝性能與焊接性能，然而強(qiáng)度卻急劇降低；除此之外，在相同階段，前蘇聯(lián)同樣開(kāi)發(fā)出了1915、1933合金，然而其強(qiáng)度相對(duì)較低。為了能夠加強(qiáng)強(qiáng)度，在二十世紀(jì)七十年代開(kāi)發(fā)出了7020合金，其可焊接性強(qiáng)、強(qiáng)度較高。在此以后，人們的關(guān)注度又轉(zhuǎn)移到了Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金中。在二十世紀(jì)八十年代初期，美國(guó)專(zhuān)家以7075合金為基石，為了妥善處理工業(yè)運(yùn)用SCC敏感性偏高的問(wèn)題及達(dá)到部分獨(dú)特的需求，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)合金元素的具體含量，同時(shí)研發(fā)出了幾類(lèi)全新的合金（7070、7175以及7178等等）。

3 7xxx系鋁合熱處理工藝

3.1 均勻化

均勻化也就是把鑄錠加溫至靠近同相線又或是共晶溫度，長(zhǎng)期保溫以后冷卻至室內(nèi)溫度，以使得可溶解的相組織全面溶解，產(chǎn)生過(guò)飽和固溶體及少許零散析出的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)。均勻化主要有二級(jí)均勻化、單級(jí)均勻化以及強(qiáng)化均勻化等等。其間強(qiáng)化均勻化與二級(jí)均勻化等是現(xiàn)階段工藝運(yùn)用的主要發(fā)展趨勢(shì)。

單級(jí)均勻化能夠避免7xxx系鋁合金里面的低熔點(diǎn)元素發(fā)生過(guò)燒，加熱溫度相對(duì)偏低，均勻化成效相對(duì)較差；二級(jí)均勻化是最初產(chǎn)生的一類(lèi)均勻化手段，因?yàn)?xxx系鋁合金里面共晶相的同溶程度完全不一樣，其共晶溫度、共晶相構(gòu)成以及共晶存在的狀態(tài)同樣完全不一樣，因此7xxx系鋁較適用二級(jí)均勻化。強(qiáng)化均勻化是經(jīng)過(guò)稍超過(guò)以往均勻化的溫度，大大增加均勻化的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)均勻化的目標(biāo)，均勻化程度較差，材料的鑄態(tài)組織獲得顯著優(yōu)化。伸長(zhǎng)率與以往的均勻化相比增加了10%～15%，強(qiáng)度同樣相對(duì)偏高，然而加工效率卻非常之低。

二級(jí)均勻化的級(jí)別優(yōu)先于單級(jí)均勻化，然而強(qiáng)化均勻化和二級(jí)均勻化對(duì)比而言，是以消耗大量的工藝時(shí)間為基礎(chǔ)，在不形成過(guò)燒的溫度背景下，加強(qiáng)了非均衡的過(guò)飽和固溶體與枝晶間粗大的均衡第二相的均勻程度，并且降低了第二相的體積分?jǐn)?shù)，其對(duì)于加強(qiáng)7xxx鋁合金的熱塑性有著非常重要的意義。

3.2 固溶處理

針對(duì)7xxx系鋁合金實(shí)施固溶處理是為了能夠取得過(guò)飽和固溶體，以使得Mg、Cu、Si以及Zn等相關(guān)的硬化溶質(zhì)能夠均勻地滲入到鋁基體里面，能夠取得過(guò)飽和高密度固溶體，并且轉(zhuǎn)變了7xxx系鋁合金的過(guò)剩相的晶粒尺寸、數(shù)目以及形態(tài)的的固溶度，為接下來(lái)熱處理完成好組織層面的準(zhǔn)備工作。最為常用的工藝包含：?jiǎn)渭?jí)固溶、多級(jí)固溶以及強(qiáng)化固溶等等。

3.3 時(shí)效

時(shí)效是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變7xxx系鋁合金的時(shí)效工藝數(shù)據(jù)以?xún)?yōu)化合金的顯微組織，進(jìn)而加強(qiáng)合金綜合性能的一類(lèi)熱處理工藝。現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的有：?jiǎn)渭?jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效等等。

針對(duì)7xxx系鋁合金而言，單級(jí)時(shí)效僅僅和時(shí)間與溫度數(shù)據(jù)相關(guān)，溫度起著主導(dǎo)性的作用。溫度愈高，實(shí)現(xiàn)峰值所需要的時(shí)間也就愈少，電導(dǎo)率的上升也就更加之快。然而材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低較為顯著，材料的韌性、強(qiáng)度以及抗SCC性等遭受時(shí)效環(huán)境的影響極其明顯。

雙級(jí)時(shí)效是先低溫、后高溫兩個(gè)不同的時(shí)期。在低溫背景下取得GP區(qū)為主導(dǎo)的細(xì)小沉淀相，部分可以在高溫時(shí)效溫度背景下平穩(wěn)存在的GP區(qū)首先成核轉(zhuǎn)化，等同于形核時(shí)期。但是在后高溫時(shí)期，經(jīng)過(guò)過(guò)渡相的沉淀與晶界架構(gòu)的改變，進(jìn)而取得均勻分布的MPt與較大不持續(xù)的GBP架構(gòu)，等同于穩(wěn)定化時(shí)期。雙級(jí)時(shí)效促使合金的晶界與晶內(nèi)能夠析出相具備顯著的長(zhǎng)大與粗化特點(diǎn)。同時(shí)伴隨第二級(jí)時(shí)效溫度的增加，晶界與晶內(nèi)的析出物漸漸生長(zhǎng)。晶界析出相的布局更為零散，其為優(yōu)化合金的抗應(yīng)力腐蝕性能奠定了較好的基礎(chǔ)，然而其強(qiáng)度卻不斷下降。

3.4 深冷處理

7xxx系鋁合金經(jīng)過(guò)固溶處理取得高強(qiáng)度韌性之時(shí)，同時(shí)存在著較多的淬火殘余應(yīng)力。在較大程度上削弱了航空部件的抗疲勞性與抗SCC性，及機(jī)械制造尺寸的不平穩(wěn)性等等。因?yàn)楣倘芴幚碜陨淼墓に囂卣鳎y以運(yùn)用高溫以應(yīng)力退火。同時(shí)很難經(jīng)過(guò)機(jī)械振動(dòng)、拉伸又或是壓縮等應(yīng)力去除方式，所以部分專(zhuān)家創(chuàng)新出了深冷處理，同時(shí)大量應(yīng)用于7xxx系鋁合金中。

3.5 形變熱處理

形變熱處理是一種經(jīng)過(guò)塑性形變與熱處理相互融合的工藝方式，以?xún)?yōu)化過(guò)于沉淀相的布局與合金的精細(xì)架構(gòu)，以得到極強(qiáng)的抗腐蝕性與強(qiáng)韌性。其是在1981年的時(shí)候由Wert等人所提出的一種工藝，此種工藝大都運(yùn)用于字航架構(gòu)的合金。相關(guān)研究表明，形變熱處理對(duì)于7475、7050合金的力學(xué)性?xún)?yōu)化有著非常顯著的成效。近幾年內(nèi)，人們對(duì)于超塑性能的加強(qiáng)進(jìn)行了大量的分析，然而針對(duì)熱處理丁藝的分析卻非常之少。

4 結(jié)論

總而言之，7XXX系鋁合金憑借其高強(qiáng)度、小比重以及良好的焊接性能等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)發(fā)展成大量運(yùn)用于航空航天業(yè)的重要材料之一，各個(gè)國(guó)家的材料研究者對(duì)于7XXX系鋁合金始終維持著較高的關(guān)注度，在較大程度上推動(dòng)了7XXX系鋁合金在各行各業(yè)中的運(yùn)用。

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