7075-T73511鋁合金熱處理工藝研究

龐俊銘，胡 皓，劉旭東，周廣宇

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著航空航天工業的發展，對鋁型材的綜合性能也逐漸有了更高的要求，鋁合金材料的強度、硬度已不能反映其綜合性能，電導率這種指標已越來越引起人們的重視。電導率主要與材料的成分和內部組織結構息息相關。當合金成分一定時，其導電性的好壞取決于材料的內部組織，材料的內部組織又受其熱處理制度及拉伸的影響[1，2]。相比于常規試驗，正交試驗法可大大減少實際試驗的工作量，用盡可能少的試驗次數獲得可靠的試驗結果，因此被廣泛應用于各個領域。

7075 鋁合金屬于7×××系（Al-Zn-Mg-Cu）超高強合金，具有高強度、低密度、熱加工性能好的優良特性，是航空航天器件的優良結構材料，也是目前各國結構材料開發的熱點之一[2-6]。7075 鋁合金的強度和硬度具有時效雙峰特征[7]，然而獲得最佳強度的時效熱處理工藝未必具有合格的電導率指標。熱處理制度與電導率有密切關系，7075 鋁合金的電導率受退火溫度、固溶處理溫度、淬火后停放時間及人工時效制度等諸多因素影響。T7351、T7651 及T73 狀態均有合適的熱處理工藝，以獲得最佳的力學性能[8-10]。作為一種常見的航空材料，7075 合金常用標準為AMS 4167H-2015，該標準要求及檢測方法異于國標，力學性能與電導率呈對應關系，即在實際生產過程中T7351、T7651及T73難以保證力學性能及電導率均滿足標準。因此，本文選取一種7075 鋁合金擠壓棒材，引用預應變及二次固溶處理的方法來進行正交試驗，分析得出7075 鋁合金的最佳生產處理工藝，保證該合金的力學性能及電導率均能滿足標準。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及制備

本試驗選取直徑為53.98 mm 的7075 鋁合金擠壓棒材，其實測合金成分見表1。該材料廣泛應用于航空航天，AMS 4167H-2015 標準中詳細記錄了7075-T73511狀態性能指標，如表2所示。

表1 7075鋁合金化學成分（質量分數/%）

表2 7075鋁合金標準要求

該合金熔煉采用火焰反射爐，生產前進行烘爐、清爐以清除濕氣及爐渣。先將鋁錠及大塊料裝入，然后裝入中間合金，所裝爐料分布均勻，防止偏重。當爐溫達到700 ℃左右時，保溫一定時間直至爐料熔化；爐料化塌時撒熔劑覆蓋熔體，并加入Cu 和Zn，保證熔體能淹沒Cu 和Zn；爐料化平后，適當攪拌熔體，保證溫度均勻，加速熔化；待全部熔化并充分混合后加入Mg，保溫一定時間除氣扒渣；攪拌，取樣，調整成分，出爐，即制成7075 鋁合金鑄錠。對該鑄錠進行均勻化處理，使鑄錠具有較好的化學和組織均一性，均勻化制度為（465±5）℃×10 h。將均勻化后的鑄錠于55 MN擠壓機上進行擠壓，制成? 53.98 mm 的擠壓棒材，為后續試驗研究做準備。

1.2 試驗過程及方法

本試驗選擇固溶+預應變+二次固溶+雙級時效的流程進行研究。通過改變預應變、二次固溶及雙級時效，獲得不同條件下的力學性能和電導率，采用正交試驗方法分析獲得最佳的7075-T73511處理工藝。具體探究方案如下：

（1）固溶處理制度選擇試驗方案：? 53.98 mm 7075合金棒材固溶溫度為462 ℃。因此，本試驗選擇一次固溶時間為150 min，二次固溶時間分別為0 min、120 min及150 min。

（2） 預拉伸選擇試驗方案：固溶后試樣拉伸不同變形量，7×××系合金常見的拉伸變形量為1%～3%。因此，本試驗選擇的預拉伸變形量為0%、1%和3%。

（3） 雙級熱處理制度試驗方案：由于本試驗目的是在滿足所需力學性能的同時保證一定的電導率，因此針對7075 合金選擇的雙級時效制度為105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h。

對處理后的試樣進行力學性能和電導率測試。采用SMP-10渦流電導儀進行電導率測試，按AMS 4167H-2015 標準要求，應在檢驗力學性能之前抽取的7075-T73511擠壓棒材樣品上測量電導率，選取最接近棒材壁厚中心位置，將棒材沿中心軸線切開，測量截面電導率數值。采用AG-X 100KN電子萬能試驗機進行力學性能測試，按相關標準進行室溫拉伸試驗，所有拉伸試樣均平行于擠壓方向截取。以上試驗不同狀態的試樣測試3次后取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 雙級時效對組織及力學性能的影響

7075 鋁合金具有時效雙峰特征，雙級時效比單級時效更有利于獲得更高的電導率。因此，首先需選取恰當的雙級時效制度。根據以往實際生產經驗，7075鋁合金的常用雙級時效制度為105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h，對時效后的試樣進行力學性能測試，結果見表3，并繪制圖1 所示的關系規律圖。從圖1 中可以看出，隨著二級時效時間的增加，強度逐漸降低，延伸率呈現先提高后降低的趨勢，而電導率呈現逐漸提高的趨勢。當時效時間大于10 h時，電導率提高幅度平緩。因此選定的二級時效時間為10 h、12 h及14 h。

表3 試驗方案與結果

圖1 二級時效時間與力學性能和電導率的關系圖

2.2 正交試驗探究及工藝優化

為研究預應變及二次固溶對該合金力學性能和電導率的影響規律，試驗采用L9（33）正交試驗設計，選擇預拉伸（A）、二次固溶時間（B）及雙級時效時間（C）3個因素3個水平，如表4所示。其中二級固溶溫度為462 ℃。

表4 正交試驗表

表5 所列為正交試驗方案及結果。由表5 可知，獲得最佳電導率的生產制度為A3B2C1，此時獲得的性能為Rp0.2=463 MPa、Rm=525 MPa、A=14.5%及γ=39.56%IACS。采用極差分析正交試驗結果計算出每一因素和水平下相應力學性能及電導率的平均值及極差，進而確定目標工藝對性能的影響程度，極差分析結果見表6。可以看出，影響7075 合金屈服強度的因素主次依次為雙級時效時間、預拉伸和二次固溶時間。二次時效時間由10 h提高到14 h，7075 合金的屈服強度最大降低了30.34 MPa；影響7075 合金抗拉強度的因素主次依次為雙級時效時間、預拉伸和二次固溶時間。二次時效時間由10 h提高到14 h，7075合金的屈服強度最大降低了26.67 MPa；影響7075 合金延伸率的因素主次依次為雙級時效時間、預拉伸和二次固溶時間。二次時效時間由10 h提高到14 h，7075合金的伸長率最大降低了2.66%；影響7075合金電導率的因素主次依次為二次固溶時間、預拉伸、雙級時效。二次固溶時間由0 min提高到150 min，7075合金的電導率最大提高了1.52%IACS。總體來看，對于導電材料7075 鋁合金而言，在保證一定力學性能和硬度的前提下，二次固溶時間對合金的電導率影響最大。

表5 正交試驗方案與結果

表6 正交試驗極差分析結果

為了直觀起見，用因素的水平變化為橫坐標，指標的平均值為縱坐標，畫出水平與指標的關系圖，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，保證不同最佳性能的淬火時效工藝分別為：獲得最佳屈服強度性能的淬火時效工藝為A2B1C2，獲得最佳抗拉強度性能的淬火時效工藝為A2B3C1，獲得最佳伸長率性能的淬火時效工藝為A2B1C1，獲得最佳伸電導率性能的淬火時效工藝為A3B3C1。

圖2 水平與指標關系圖

由表5 正交試驗結果可以看出，在滿足表2 性能標準的前提下，獲得最大電導率的處理工藝為A3B2C1。由圖2 可以看出影響7075 合金不同性能的最佳工藝。表7示出了分別進行的實驗驗證的結果。結果發現A2B3C1 和A3B3C1 也能獲得較高的電導率，但A3B2C1 和A3B3C1 在獲得較高電導率的同時，力學性能下降較大，而A2B3C1在保證電導率的前提下，力學性能相對較高。因此最佳的處理工藝為A2B3C1，此時獲得的性能為Rp0.2=488 MPa、Rm=552 MPa、A=16.5%及γ=39.5%IACS。

一次固溶的目的主要是為了減少晶內細小第二相的數量，同時減小晶界上的粗大第二相尺寸，增加固溶體中溶質原子的過飽和度，經后續的時效處理產生沉淀強化從而提高合金強度[11]。通常情況下，固溶溫度越高，過飽和固溶體的濃度越高，晶格畸變增大，電導率降低。固溶時間也是影響7075 鋁合金固溶效果的一個重要因素。7075 合金中含有Al、Zn、Mg、Cu 元素，而不同的結晶相的淬火速度各不相同，富Mg、Zn相固溶速度比富Cu相快[12.13]，延長固溶時間可以增加富Cu相的固溶程度，使粗大的第二相粒子溶解到基體中，增加基體的過飽和度，在隨后的時效過程中促進強化相的析出，提高合金的強度和塑性[14]。

預拉伸可有效地增加空位和位錯濃度。晶體缺陷的存在使晶格發生畸變，使金屬電阻率提高，電導率下降。而停放一段時間后，電導率又會上升，這是由于7075 合金中含有合金元素Cr。由表1 可知，Cr 元素含量約為0.2%，其與空位具有較大的親和力，會優先形成空位-原子集團，從而降低了空位等晶體缺陷的濃度，晶格畸變區減少，電導率上升[15]。

7075 鋁合金進行不同的熱處理時效后電導率有不同的變化。在進行T6 處理后，其晶內和晶界上分別存在著密集細小的沉淀相和析出相，幾乎看不出有PFZ 的存在，且晶內仍有淬火后殘留的位錯線，GP 區與母相保持相同的晶格，因此電導率低[15]；T76、T73 處理后，沉淀相從基體中析出長大，與基體的共格關系減弱，降低共有電子運動的阻力，電導率升高；而進行T7351處理后，在晶界上會析出粗大不連續析出相，在晶內析出變粗的MgZn2。由于預拉伸消除了內應力減少了點陣畸變的發生，使共有電子運動變得容易，從而使電導率增加了[15]。

表7 驗證試驗方案與結果

3 結論

（1） 對于導電材料7075鋁合金而言，電導率為主要衡量指標。通過正交試驗極差分析可知，在保證一定力學性能和硬度的前提下，二次固溶時間對合金的電導率影響最大。

（2） 通過正交試驗結果及驗證試驗得出，預應變1%+二次固溶462 ℃×150 min+雙級時效（105 ℃×8 h+175 ℃×10 h）時可獲得最佳性能，即Rp0.2=488 MPa、Rm=552 MPa、A=16.5%及γ=39.5%IACS。