7055 鋁合金的雙級固溶處理工藝研究

岳庚新

（天津渤化安創科技有限公司，天津300000）

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu 系超高強鋁合金具有良好強度、較高的耐腐蝕性和抗疲勞性，依據變形鋁及鋁合金牌號表示方法“GB/T16474-1996”規定，我國命名為7×××系鋁合金，作為結構件材料被廣泛的應用于航空航天、軍事、交通等重要領域。國內外對7 系鋁合金做了大量的研究工作，開發了T74、T76、T77 等多級時效處理工藝，通過控制合金中析出相的大小、數量及分布情況，來保證不同工況條件下材料的使用性能需求[1-2]。而固溶處理作為非常重要的熱處理工藝環節，為后續的時效處理奠定良好的基礎，間接決定了合金組織性能優劣[3-4]。許多學者在固溶處理工藝方面做過大量的研究，并且提出了眾多方案。寧愛林等短時間快速加熱分級固溶處理方案[5]，提高了7A04 鋁合金固溶溫度而不過燒，晶粒長大明顯，獲得良好的力學性能。陳康華等提出長時間緩慢升溫[6-7]，將固溶溫度提高到非平衡共晶點以上，盡可能減少結晶相的數量，顯著提高了合金的力學性能。張新明等研究了多級固溶處理對7050 鋁合金的力學性能影響[8]，發現多級處理比單級處理的斷裂韌性及強度較高。由此可見，最優的固溶處理工藝對7 系鋁合金的組織分布起著決定性作用，對改善析出相的形狀、數量、分布等起著至關重要的作用。

本文以噴射成型的7055 鋁合金為研究對象，采用雙級固溶處理方式，從顯微組織及力學性能兩個方面綜合研究，確定最優的雙級固溶處理工藝方案，為工藝生產提供重要的理論依據和時間指導。

1 實驗方案設計

1.1 原材料

本實驗所使用原材料為退火態的7055 鋁合金棒材，直徑為Φ25 mm，長度為84 mm，其化學成分如表1 所示。

表1 7055 鋁合金化學成分 /wt.%

1.2 固溶處理工藝

本次實驗主要研究固溶處理次數、保溫時間及冷卻方式等參數，對每組試樣進行組織和性能對比，明確不同的處理方案對合金組織和性能的影響，從而優化固溶處理工藝。試樣的固溶處理按表2所示方案進行。

表2 固溶處理工藝路線

1.3 主要實驗設備及檢測儀器

實驗所用的實驗設備及檢測儀器見表3。

表3 實驗所需設備

2 固溶處理對合金組織與性能的影響

7055 鋁合金為典型的時效強化型合金，固溶處理工藝的選擇將決定著合金時效處理后的性能，因此最佳的固溶處理工藝對合金的后續處理起著至關重要影響，研究固溶處理的影響因素并對其加以控制是鋁合金獲得良好性能的必要步驟。合金的最終強度、抗應力腐蝕性能及硬度等性能，取決于合金元素的固溶程度是否徹底、晶粒尺寸是否細小及再結晶程度是否嚴重。通過控制固溶溫度和保溫時間及冷卻介質，研究合金的組織和性能的變化，獲取最佳的固溶處理工藝，為后續的時效處理奠定良好的基礎[9]。

2.1 不同固溶處理對合金力學性能和電導率的影響

本節主要研究7055 鋁合金通過不同固溶處理工藝對其強度、伸長率及電導率的影響，實驗結果如表4 所示。

表4 不同固溶處理條件下7055 鋁合金的性能

由表4 可以看出，固溶參數（溫度、時間及冷卻方式）都對7055 合金的力學性能和電導率產生了一定的影響，合金顯現出了一定的性能差異，這也說明合理的固溶處理工藝能夠改善合金的綜合性能，為后續的時效處理做好充分的準備。實驗主要結論如下：

（1）對比雙級固溶處理后7055 鋁合金性能可以得出，第二級固溶保溫180 min 比保溫50 min，合金的強度大，電導率低；

（2）對比不同冷卻方式的實驗結果可以得出，室溫水冷卻時，合金的強度和電導率高；

（3）對比雙級固溶與單級固溶的實驗結果得出，雙級固溶處理后合金的強度要比單級固溶處理有提高，伸長率和電導率略有降低；

（4）從7055 鋁合金的綜合性能來看，雙級固溶通過逐步提高溫度使極限固溶溫度高于單一固溶的多相共晶溫度，避免過剩現象，起到強化固溶的作用，同時也抑制回復再結晶的現象出現，7055 鋁合金的雙級固溶后的強度提高。

綜上所述，最好的固溶處理工藝為：450 ℃×180 min＋475 ℃×180 min＋室溫水冷，抗拉強度達到686.2 MPa，伸長率12.5%，電導率38.0%IACS。

2.2 不同固溶處理對合金組織的影響

圖1 為不同固溶處理工藝后合金的金相組織圖。

（1）由圖1 中的（a）～（f）可見，組織中存在大小不同的黑色顆粒，這些第二相顆粒的分布、大小及均勻性都直接顯示合金固溶階段的固溶程度進行的是否徹底。

（2）從圖（a）、圖（b）看以看出，當第二級固溶保溫時間為180 min 時，第二相顆粒明顯減少，這說明第二相顆粒隨著第二級固溶保溫時間的延長，大部分固溶到基體當中，剩下少數顆粒都是些難溶或不溶的相，此時合金的固溶效果最好，對后續的時效處理更加的有利。

（3）從圖（c）、圖（d）可以看出，當第二級保溫時間為50 min 時，合金中依然存在大量的黑色顆粒，說明這些黑色顆粒沒有足夠的時間固溶到基體之中，這將不利于后續的時效處理。還可以看出，采用室溫水冷后的組織要比50 ℃水冷處理后的第二相顆粒少、尺寸較小，但是并沒有完全的消失。

（4）另外，雙級固溶處理后合金固溶的還并非徹底，組織中仍然存在少部分再結晶組織，但再結晶晶粒并沒有發生明顯長大，晶界處也可能存在少量的粗大黑色相，但是晶內黑色顆粒基本完全固溶。與單級固溶相比，雙級固溶后第二相顆粒的回溶數量較多，再結晶晶粒沒有長大。

綜上所述，雙級固溶后合金的組織更為合理，更利于其時效處理后獲得更加良好的性能和更為理想的組織。

圖1 不同固溶處理后的顯微組織

2.3 不同固溶處理拉伸斷口分析

圖2 為不同的固溶處理后的拉伸斷口形貌，從圖中可以看出合金斷口中不但含有大量的等軸韌窩，而且還有晶界裂紋，這說明合金斷裂形式為混合斷裂。雙級固溶處理后，斷裂更多是由晶界引起的斷裂，同時還出現部分的解理現象。由圖2 可以分析出：

（1）單級固溶處理后斷口韌窩直接較大，深淺不一，其中較大的凹坑可能是未溶的第二相所引起的。粗大的未溶相周圍非常容易形成微孔，成為裂紋的源頭，此時合金具有較好的伸長率，但是強度降低。

（2）雙級固溶處理（b）：450 ℃×180 min＋475 ℃×180 min＋室溫水冷后，合金中的未溶第二相明顯減少，合金元素溶入基體更為充分，避免晶粒過早的斷裂，使得7055 鋁合金固溶趨于更徹底，后續的強化效果更好。

3 結語

固溶處理的目的是獲得最大固溶度的固溶體，與此同時盡量保證合金不產生過燒、晶粒不粗大及再結晶度小的原則。合金淬火時，由于冷卻速度過快，固溶過程中形成的大量空位來不及運動，就被束縛在晶體內，合金元素溶入基體中，使基體晶格產生嚴重的畸變，畸變處所產生的應力場與位錯周圍的應力場相互作用，使合金元素聚集在位錯附近形成柯氏氣團，對位錯移動起阻礙作用。固溶級數、溫度和冷卻方式對合金固溶處理起到至關重要的作用，從實驗數據來看雙級固溶處理與單級固溶處理相比，粗大的初生相Al、Zn、Mg、Cu 固溶的更充分，組織形貌更容易控制，因此最優化的固溶處理工藝為：450 ℃×180 min＋475 ℃×180 min＋室溫水冷。

圖2 不同固溶處理工藝下斷口形貌