7075-T651厚板產業化時效工藝優化

葉陶勇

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7075屬于Al-Zn-Mg-Cu 7×××系合金，是以Zn-Mg-Cu 為主要合金元素的超高強度變形鋁合金，其Zn 含量為5.1%~6.1%，Mg 含量為2.0%~3.0%，Cu含量為1.2%~2.0%以及Cr含量為0.16%~0.30%。該合金早在20世紀40年代末期就已應用于飛機制造業，至今仍在航空工業上得到廣泛應用。其特點是固溶處理后塑性好，尤其是熱處理強化效果極佳，主要用于民用航空航天、模具加工、機械設備、工裝夾具等，其特有的高附加值使其成為生產企業的主要盈利產品[1]。

但在實際生產中，由于其熱處理時效參數的選定不一樣，導致時效生產時間長短和力學性能波動不一，從而嚴重影響了生產及產品性能的穩定性，因此開展7075 鋁合金厚板T651 狀態生產時效工藝產業化研究顯得極為有必要。雷才洪等[2]研究了多級時效對7075 鋁合金組織及性能的影響，張世興等[3]研究了熱處理制度對7075 鋁合金顯微組織和性能的影響，劉大海等[4]研究了工藝參數對7075 鋁合金板材時效成形性的影響，但對時效工藝產業化研究方向較少。本文結合某廠設備能力，在其他工序工藝不做調整的情況下，通過多次實驗室模擬及生產批量性驗證，得出不但滿足客戶要求力學性能且滿足現場生產條件的7075-T651合金板材最佳時效工藝參數，大大提高了生產效率，實現了規模化、產業化生產。

1 試驗材料、性能指標及試驗方案

1.1 試驗材料

根據民用產品訂貨標準中的性能指標，結合某廠主要合同訂單，選取典型規格為20 mm、50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm 的7075-T651厚板作為試驗材料。

1.2 性能指標

民用產品常用的訂貨標準EN485.2-2008 性能指標見表1。

表1 民用7075-T651厚板性能指標

1.3 試驗方案

以該廠現行生產中民用7075-T651厚板板材時效工藝即120~140 ℃、保溫18~30 h 為基礎數據進行優化研究，采取定溫、定時時效工藝進行歸類統一。擬采用的實驗室試驗方案見表2。

表2 試驗方案

選取7075-T651典型厚度規格，在其他生產工序及工藝條件不變的情況下，采取批量性生產物料經淬火、拉伸工序后取樣做模擬實驗，且以厚度分類跟蹤不同溫度和時間組合形成的時效試驗方案結果。

2 試驗結果與分析

在實驗室同一熱處理爐內按設定的組合時效制度對不同厚度試樣進行試驗。

2.1 20 mm厚度試驗結果與分析

20 mm 厚淬火-拉伸試樣的性能結果及趨勢見圖1。

圖1 20 mm試樣組合時效實驗結果

由實驗結果得出：

（1）共16組性能結果，其中有7組數據不符合標準值即不合格，9組數據合格。

（2）相同溫度下，隨著時間的增加，125 ℃及135 ℃兩種制度時效態試樣的強度呈上升趨勢；145 ℃及155 ℃時效態試樣強度呈先上升后下降趨勢。

（3）各時效制度下時效態試樣的延伸率相差不大，均滿足標準值且富余量較大。

（4）當保溫時間≤10 h 時，各時效制度的強度均較低；當保溫時間≥15 h 時，125 ℃及135 ℃兩種制度的強度在標準值以上且強度余量相對較大，而145 ℃及155 ℃兩種制度則是強度逐漸降低，證明其處于過時效狀態。

2.2 50 mm厚度試驗結果及分析

50 mm厚淬火-拉伸試樣的性能結果及趨勢見圖2。

圖2 50 mm試樣組合時效實驗結果

由實驗結果得出：

（1）在16組性能結果中，其中有7組數據不符合標準值即不合格，9組數據合格。

（2）性能試驗結果數據顯示其基本趨勢與20mm厚試樣基本一致。

2.3 80 mm、100 mm、150 mm 和200 mm 厚度試驗結果及分析

為進一步確定其它厚度段的性能變化規律，分別選取了80 mm、100 mm、150 mm和200 mm四個典型厚度按組合時效制度進行試驗，試驗性能結果如表3~表6所示。

表3 80 mm試樣時效實驗性能結果

表4 100 mm試樣時效實驗性能結果

表5 150 mm試樣時效實驗性能結果

表6 200 mm試樣時效實驗性能結果

從表3、表4、表5和表6可以看出：

（1）厚度80 mm 力學性能結果中有8組數據不合格，8組數據合格。

（2）厚度100 mm 力學性能結果中有8 組數據不合格，8組數據合格。

（3）厚度150 mm 力學性能結果中有7 組數據不合格，9組數據合格。

（4）厚度200 mm 力學性能結果中有9 組數據不合格，7組數據合格。

（5）相同時效溫度下，隨時間的增加，125 ℃及135 ℃兩種制度時效態試樣的強度呈上升趨勢；145 ℃及155 ℃時效態試樣強度呈先上升后下降趨勢，變化規律與20 mm厚試樣結果基本一致。由此可見，合金的強化效果與時效溫度和時間有著密切的關系[5]。

2.4 選定大生產驗證試驗方案

根據合金時效強化特點，較低的時效溫度可以獲得較大的時效效果，但所需時效時間較長。時效時間過長，將使合金時效過度，降低強化效果，甚至軟化；時間過短，將使合金時效不足，也會降低強化效果[5]。在時效初期，合金的硬度和電導率均迅速增大，隨著時間的延長，硬度值變為緩慢增大，隨后具有較長時間的硬度值平臺[6]。因此，結合該廠現用時效熱處理設備的功能特點和6個典型厚度試驗性能結果，從滿足力學性能標準要求及提高生產效率方面選取交集部分和優勢方案作為時效制度進行生產驗證，即選取“定溫（125±5）℃、保溫15 h+測溫生產”方式作為生產驗證時效方案。

3 工業化生產驗證結果及分析

根據該廠時效爐生產組爐原則，在同一時效熱處理爐內選取6爐共計66批典型厚度生產物料，按定溫（125±5）℃、保溫15 h、測溫生產方式時效，經過大生產取樣做性能檢測，并對各典型厚度的力學性能進行SPC 控制分析。分析結果如表7~表12所示。

表7 厚度20 mm力學性能結果

表8 厚度50 mm力學性能結果

表9 厚度80 mm力學性能結果

表10 厚度100 mm力學性能結果

表11 厚度150 mm力學性能結果

表12 厚度200 mm力學性能結果

由上表數據可得：在生產驗證典型厚度性能試驗結果中，66 批次力學性能全部符合民用訂貨標準，且富余量充足。另外，從表7～表12數據可以

看出，各典型厚度的屈服強度、抗拉強度及CV 值（變異系數）均在5%以內，說明產品性能穩定性，在可控范圍內。

4 結論

通過實驗模擬及生產批量規模化驗證，成功開發了7075-T651 民用預拉伸厚板時效定溫、定時工藝即采取測溫生產方式，通過控制時效溫度和時間可以對7075-T651 預拉伸板進行批量規模化、產業化生產，不但滿足了客戶對力學性能的要求且余量充足、波動范圍小，而且提高了生產效率。其工藝控制要點為：單級時效熱處理，時效定溫（125±5） ℃，保溫時間15 h。