7×××系鋁合金的形變熱處理工藝

金美玲

（遼寧開放大學〔遼寧裝備制造職業技術學院〕，遼寧沈陽 110034）

0 前言

7xxx系鋁合金作為該類合金中的一個系列，更是以其突出的比強度和比剛度、優異的耐腐蝕性能和高溫沖擊性能脫穎而出，在航空航天、海洋工程、交通運輸以及電子新材料等領域大放異彩[1-3]。尤其是在航空航天領域，為滿足科技發展的需求，7xxx 系鋁合金由之初的單純提高強度，再在高強度基礎上提高耐蝕性，發展到不僅提升強度及耐蝕性，還要提高其韌性，而后再發展到目前的提高滲透能力，走過了一段綜合性能不斷攀升之路[4]。由此可見，在科技生產水平逐步提升的背景下，為使7xxx 系鋁合金的發展更上一個臺階，進一步提高7xxx 鋁合金的各項綜合性能，使其在應用中發揮出更加重要的作用仍是目前迫切需要解決的問題之一。

為實現這一目標可從鋁合金的強化機制入手進行研究。如7xxx 系鋁合金析出相析出序列為：過飽和固溶體（SSS）→偏聚區GP 區→過渡相η′相（MgZn2）→平衡相η 相（MgZn2）[5]，其中GP 區與Al 基體呈共格狀態；η′相與Al 基體呈半共格狀態，為盤狀或者短棒狀；η 相與Al 基體呈非共格狀態，為棒狀或者大的盤狀。偏聚區GP 區與過渡相η′相是7xxx 系鋁合金主要的析出強化相，其中過渡相η′相是起決定性作用的析出強化相[6]。故提升這種可熱處理強化的7xxx 系鋁合金綜合性能的強化機制主要為析出相強化，這是一種通過改善析出相尺寸、形態、類型、分布、體積分數使其綜合性能得到改善的方法。為了優化7xxx 系鋁合金的各項綜合性能使其在各領域中得到更加廣泛的應用，學者們采用了諸多不同的辦法，有的學者采用通過調整合金元素含量的辦法來改善合金材料的綜合性能，例如，7xxx 系鋁合金材料中關鍵合金元素（Mg、Zn、Cu）含量的增加可以促進析出相的形成，使析出相的體積分數變得更高，進而提高合金材料的綜合力學性能[7]；微量元素Cr 含量的增加可以抑制合金材料的晶粒長大，從而實現晶粒的細化，達到提高合金材料的塑性和斷裂韌性的目的[8]；Fe、Si屬于合金材料中的雜質元素，其含量的降低可以使析出的雜質相體積分數降低，提高合金材料的斷裂韌性，進而起到改善合金材料綜合性能的作用[9-10]；Cu 含量的降低可以使合金材料的抗剝落腐蝕能力有所提高[11]；Sc、Zr、Er、Cr 含量的增加同樣也可以有效地改善合金材料的耐腐蝕性能，尤其會使合金材料的抗應力腐蝕性能得到顯著的提高[12-13]。但是由于傳統的加工工藝方法大多數情況下都只會考慮合金材料的強度，并不會顧及它們的韌性以及抗疲勞性能等，甚至有時候還會出現影響到材料成形性能的情況。因此，有一些學者通過采用形變熱處理這一新領域的加工工藝方法來優化合金材料的微觀組成結構，進而改善合金材料的綜合性能。如Zuo 等學者采用形變熱處理工藝對7xxx 系鋁合金材料進行加工處理，通過對合金材料產生劇烈的塑性變形來獲得細化甚至超細化的晶粒，從而改善合金材料的強度和塑性[14]；曹志強等學者為了優化7050 鋁合金的形變熱處理工藝，采用正交試驗的方法來獲得最佳的加工工藝參數使7xxx 系鋁合金材料保持較高強度的同時，使其延伸率也在一定程度上有所提升[15]；Chen等學者采用將回歸再時效工藝與形變熱處理工藝相結合的一種創新形變熱處理工藝對7xxx 系鋁合金材料進行加工處理，這種創新形變熱處理工藝可將析出相強化和變形強化很好地結合在一起，使得合金材料抗應力腐蝕性能得到進一步提升[16]。

基于此，本綜述介紹了7xxx 系鋁合金形變熱處理工藝，總結了7xxx 系鋁合金在進行形變熱處理工藝加工處理后，合金材料的微觀結構、綜合力學性能以及耐腐蝕性能方面的變化情況，闡述了在7xxx 系鋁合金中應用形變熱處理工藝的研究狀況，有利于讀者更好地把握7xxx 鋁合金變形熱處理工藝發展脈絡，為更進一步深入了解工藝對7xxx合金組織性能的影響奠定基礎。

1 形變熱處理工藝

形變熱處理工藝是一種基于時效、加工硬化原理來優化過渡沉淀相的分布，改善合金微觀組織而獲得良好強韌性以及耐腐蝕性的加工方法。該方法最早應用于鋼類材料上，它可通過控制形變量和熱處理加工工藝參數來改變析出相尺寸與分布并細化晶粒，從而達到改善材料性能的目的。故學者們將這種工藝廣泛應用于鋁合金中，從而提高合金的綜合力學性能[17]。形變熱處理工藝可以按照諸多方式進行分類，其中較為常見的是根據熱處理過程中形變熱處理順序的不同，分為中間形變熱處理和最終形變熱處理。

1.1 中間形變熱處理

中間形變熱處理工藝中析出相的作用是較大的，可起到釘扎晶界、誘導再結晶形核的作用。因此，在該工藝流程中，析出相是以一種輔助粒子的形式來影響位錯，從而達到細化晶粒的作用，而不會起到強化相的作用。此外，中間形變熱處理工藝的流程也有很多種，大致順序為：均勻化（退火、過時效）處理→形變處理→再結晶和固溶處理→時效處理[18]。如沈忱等學者在實驗研究時發現7075 鋁合金在經過中間形變熱處理工藝加工處理后的力學性能均比經傳統熱處理后的合金力學性能要好。隨著形變量的增加，大量位錯被引入，使合金的形核數量增多，促進了組織再結晶的發生，產生了更多的細化晶粒，提高了細晶強化的效果，從而使合金材料的屈服強度和抗拉強度顯著提高[19]；Huo 等學者通過實驗研究發現利用中間形變熱處理工藝可以制造出無邊緣裂紋的7xxx系鋁合金材料，同時，變形誘導出的析出相可作為形核質點，誘導合金動態再結晶，這也是一種使合金晶粒細化的有效方法。在合金材料晶粒細化的同時，還能獲得穩定的晶粒尺寸、卓越的延長率，并且還能使合金材料保持較高的強度，顯著地消除合金材料中的各向異性[20-21]；彭北山等學者通過實驗研究表明7A04鋁合金在經過中間形變熱處理工藝加工后，不僅可以使合金材料的強度提高，同時還可以很大程度上提高其塑性。另外，隨著形變程度的不斷增加，合金材料的強度也會隨之不斷提高[22]。還有學者通過實驗研究表明7075 鋁合金在經過中間形變熱處理工藝加工處理后獲得的細小晶粒結構會使合金材料的抗應力腐蝕能力得到明顯的增強[23]。

1.2 最終形變熱處理

最終形變熱處理工藝與中間熱處理工藝的不同之處在于析出相的強化作用形式上，由作為輔助粒子釘扎晶界、誘導再結晶形核變為直接參與時效強化行為。其大致工藝流程為首先進行固溶處理，而后進行淬火，再進行形變處理，最后進行時效處理。還有一種方式是在淬火后先進行預時效處理再進行形變處理，最后進行最終時效處理。其中對于Al-Cu-Mg 系、Al-Mg-Si系、Al-Mg-Li系合金來說通常會采用上述的第一種最終形變熱處理工藝，加工后合金材料可以在很大程度上提高強度。但是如果對于7xxx 系鋁合金采用上述的第一種最終形變熱處理工藝，會發現合金材料的強度不僅不會提高反而還會出現下降的情況，這可能與在不同合金材料中位錯處獲得的細小析出相的能力有關。故對于7xxx 系鋁合金通常會使用上述的第二種最終形變熱處理工藝來進行加工[24]。7xxx 系鋁合金在經過最終形變熱處理工藝加工后，粗大的析出相會出現破碎，細小的析出相會逐漸形成，這就起到了析出相強化的作用，使合金材料的強度提高。同時，大量的位錯會在最終形變處理過程中形成，高密度的位錯使其在滑移過程中易發生纏結、交割，從而導致滑移阻力變大，產生了加工硬化效果。此外，這些位錯會與合金材料中的溶質原子相結合形成比較穩定的氣團，會釘扎、阻礙位錯的運動，若是位錯想要繼續運動，就必須要克服氣團的釘扎、阻礙作用而做功，從而使合金材料的強度得到進一步的提高。

表1 中數據是由陳康華等學者通過實驗測試所得到的結果。從表1 數據中可以看出隨著合金形變量的不斷增加，合金硬度值會呈現出先增大而后減小的狀態，但是合金電導率將會持續增大。

表1 不同形變量Al-Zn-Mg-Cu試樣硬度和導電率

同時，圖1 展現出的是合金材料抗拉強度、屈服強度和延伸率隨形變量增加的變化情況。從圖1 中可以看出抗拉強度和屈服強度的變化趨勢基本保持一致，都是先持續上升到達峰值然后開始下降，但是延伸率則是持續下降的[25]。

圖1 不同形變量Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸性能

此外，如圖2 所示，譚亮等學者也通過對7097 鋁合金進行實驗研究得到了相似的結論：合金材料的抗拉強度以及屈服強度的值會隨著合金變形程度的增加呈先增大后減小的一種變化趨勢[26]。

圖2 不同形變熱處理制度下的7097鋁合金鍛件的力學性能

另有一些研究學者通過試驗發現，如果在最終形變熱處理工藝加工過程中采用低溫變形來代替傳統冷變形的加工方法，那么不僅可以與冷加工一樣使合金材料獲得較高的強度，并且還可以有效的改善冷加工后合金材料伸長率降低的問題，另外又可以使合金材料的抗剝落腐蝕性能有所提高[27-28]。何易學者通過實驗研究發現7068 鋁合金材料在經過形變熱處理加工處理后，伴隨著形變程度的不斷增加，合金的抗拉強度和耐腐蝕性能也會隨之提高，但是合金材料的脆性提高，延伸率隨之降低[29]。還有一些學者通過實驗研究發現在最終形變熱處理工藝加工過程中，隨著形變量的不斷增大，合金晶界析出相會隨之長大并且它們的間距也會增大，呈斷續分布，晶界無析出帶（PFZ）會明顯變寬。同時，陽極溶解通道也被阻斷，使合金材料的抗剝落腐蝕、抗晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能均得到了增強[30]。

2 力學性能

7xxx 系鋁合金屬于高強韌鋁合金，它的力學性能主要會受到基體中析出相的尺寸、形態、分布情況以及體積分數的影響。形變熱處理加工工藝是通過對合金材料施加一定程度的變形處理來誘導析出相出現變化從而實現改善7xxx系鋁合金力學性能的目的。如陳琳等人在研究形變處理時得出經“淬火→預時效處理→形變處理→終時效處理”形變熱處理后的試樣，比照常規T6 態峰值時效熱處理，其抗拉強度與屈服強度均得到了較大的改善，并且試樣的延伸率仍能處于基本不變的水平，較好地保證了合金的塑性，如表2所示。

表2 形變熱處理和T6態峰值時效熱處理的力學性能

這是因為合金材料在經過形變熱處理工藝加工時，一方面短時低溫預時效處理不僅有利于促進析出細小彌散的析出相，在最終時效處理時以形成穩定的GP區，同時經短時低溫預時效處理后的合金消除了因位錯造成的η′相不均勻形核從而影響時效強度的因素。另一方面，大量位錯與高密度均勻細小強化相間的交互作用也在一定程度上提升了和進行力學性能。

此外，Zuo 等學者通過實驗研究，對比了7055 鋁合金分別經過T76、T6、RRA、TMT 處理后的抗拉強度與屈服強度，如圖3所示。

圖3 不同工藝加工后的7055鋁合金的力學性能

研究發現它們之間的強度大小順序大體上為T76 ＜T6 ＜RRA＜TMT，這是因為在經過TMT 處理后的7055 鋁合金中粗大的析出相會逐漸破碎，彌散分布且細小的析出相會逐漸形成，這就起到了析出相強化的作用；同時，TMT 處理后的7055 鋁合金中還會出現大量的位錯，使位錯密度增加，它們纏結在一起阻礙位錯的滑移運動，這就起到了應變硬化的作用。因此，這就使7055鋁合金在經過TMT 處理后的強度顯著提高并且明顯會高于經過T76、T6 和RRA 處理后的強度[31]。

劉文義等人通過實驗研究后發現，AA7085鋁合金經形變熱處理工藝加工后，合金的伸長率雖然會隨變形程度的逐步增加而有所下降，但合金的抗拉強度和屈服強度會得到很好的改善，如圖4 所示。產生這種顯現的主要原因是合金內部的位錯密度會隨變形量的增加而增大，同時逐漸破碎的第二相粒子也會產生彌散強化的作用，致使位錯滑移運動受阻，導致其強度提高。此外，形變量較大的合金中晶粒較為細小，所以晶粒細化也能使合金強度提高[32]。

圖4 AA7085鋁合金不同形變處理后的拉伸性能

張世興等學者通過實驗研究發現，經過形變熱處理工藝加工后的7075 鋁合金其硬度值會顯著提高，如圖5所示。

圖5 7075鋁合金在不同形變量下的硬度值

這主要是由于形變處理過程中的脫溶過程會因大量位錯的存在而加劇，從而導致脫溶產物變得更多且彌散，對位錯運動有著強烈的阻礙作用。通過位錯強化使合金硬度得到提升，其硬度值呈現隨變形量不斷增加先增大后減小的變化趨勢，當形變量達到40%時出現硬度峰值[33]。如果在達到硬度峰值后再繼續增大形變量就會導致位錯的強化作用小于位錯作為晶格缺陷的弱化效果，使其硬度值下降。此外，硬度值在一定程度上會體現出強度值的大小，硬度值越大合金的強度越大。故通過形變熱處理工藝加工后可以使合金材料的強度提高。

3 腐蝕性能

7xxx 系鋁合金的腐蝕性能與其晶界析出相的尺寸以及分布情況緊密相關，這是因為析出相與周圍基質的電偶不同。由于合金的腐蝕性能會隨著電導率的增加而增加[34]，所以通過觀察電導率的變化情況也可以得出合金腐蝕性能的相應變化情況。因此，平時在評估合金的腐蝕性能時，除了會進行常用的剝落腐蝕、晶間腐蝕和電化學腐蝕實驗外，還會對合金進行電導率測試。

陳康華等學者認為7xxx 鋁合金導電性能與強化相η 相的析出有關，粗大η 相的析出會提高合金的導電性能，但是會使合金的強度起到一定的弱化作用。同時，一些學者認為，導電性能與合金抗腐蝕性能呈正相關趨勢，較高的導電性會導致良好的抗應力腐蝕性能[35-36]。圖6是7055 鋁合金分別經過T6、RRA、TMT、T76處理后的導電性。從圖中可以看出它們導電性的大小為T6＜RRA＜TMT＜T76，由于TMT 可以使7055 的導電性增強，因此，合金在經過TMT后，其抗應力腐蝕性能會有所提高。一般來說，剝落腐蝕是從晶間腐蝕發展而來的，合金對腐蝕的敏感程度主要是和基體與晶界析出相之間的電位差有關，同時還會受到微觀結構的影響，如析出相的尺寸、間距、分布情況和晶界無析出帶。

圖6 所有工藝加工后合金的導電性

圖7 和圖8 是7055 鋁合金分別經過T6 與形變熱處理之后的剝落腐蝕和晶間腐蝕情況。從圖7 中可以觀察到對T6 處理后的合金進行剝落腐蝕后，合金表面會出現許多沿著晶界連續分布的腐蝕坑；對形變熱處理后的合金進行剝落腐蝕后，合金表面僅僅會出現一點不連續的腐蝕坑。

圖7 7055鋁合金在經過T6與形變熱處理之后的剝落腐蝕情況

圖8 7055鋁合金在經過T6與形變熱處理之后的晶間腐蝕情況

圖9 三種工藝下7055鋁合金的極化曲線

從圖8 中可以看出合金在T6 處理后的最大晶間腐蝕深度為87.5 μm，而在形變熱處理后的最大晶間腐蝕深度為55 μm。對比兩者在剝落腐蝕后表面受損的情況和兩者的最大晶間腐蝕深度來看，合金經過形變熱處理加工后，抗剝落腐蝕和晶間腐蝕性能會有所提高。這是因為7055鋁合金在經過T6處理后，析出的η′相在晶界處連續均勻的分布，這就很容易形成陽極腐蝕通道進而促進腐蝕裂紋的擴展；而在經過形變熱處理后，沿晶界的析出相間距變大并且斷續分布，這就使合金耐腐蝕性能提高。

將三者的腐蝕電位和腐蝕電流記錄在表3中。根據表3中的數據可知3種情況下腐蝕電位的大小為T6＜T76＜TMT，這意味著T6 樣品的腐蝕電流值最高，表明其耐腐蝕性能最差，更容易被腐蝕；TMT 樣品腐蝕電流值最低，耐蝕性能最好。這是因為在通常情況下，晶界析出相與鋁基體相比，電位較低，發生反應時作為陽極會優先溶解，合金在經過T6 處理后會出現連續分布的晶界析出相，這就會導致腐蝕更易發生，而經過形變熱處理后會出現斷續的晶界析出相使腐蝕難以發生。

表3 不同處理后7055鋁合金板材的Ecorr和Icorr

另外，經過形變熱處理后合金PFZ 的寬度較T6 處理后會明顯變窄，有學者研究發現η′相、PFZ 和鋁基體的腐蝕電位分別為-0.869 V，-0.57 V和-0.68 V，PFZ與η′相和鋁基體相比腐蝕電位最高，所以發生腐蝕時，η′相和鋁基體是腐蝕過程中的正極。因此，縮小PFZ 可能有助于提高耐腐蝕性[37]。

4 結束語

本文綜述了形變熱處理對7xxx 系鋁合金力學性能與腐蝕性能的相關研究。對于7xxx 系鋁合金來說，它的力學性能主要會受到基體中析出相的尺寸、形態、分布情況以及體積分數的影響；它的腐蝕性能與其晶界析出相的尺寸以及分布情況緊密相關。通過調整形變熱處理過程中的形變程度可以使合金晶內和晶界析出相狀態發生變化，進而改善合金的力學性能和耐腐蝕性能。

隨著當今世界的飛速發展，進一步提高7xxx 系鋁合金的綜合性能，使其在各個領域中更為廣泛的應用是十分重要的。為了提高7xxx系鋁合金的綜合性能，我們需要找到更加合適的加工工藝方法。相較于傳統的熱處理工藝，形變熱處理將形變與熱處理進行良好的結合，可以很好地調控7xxx 鋁合金的微觀組織，進而改善合金的力學性能和腐蝕性能。由于形變程度與形變溫度對7xxx 鋁合金性能會產生十分顯著的影響，所以通過實驗不斷探索出最合適的工藝參數是很關鍵的一步。總體來說，形變熱處理工藝具有十分良好的應用前景和研究意義，雖然目前形變熱處理還沒有規定出統一的工藝參數標準，但是未來國內外對形變熱處理的研究一定會更加完善、更加具體。為此，我們仍需在此領域不斷地探索和研究，進一步總結和歸納形變熱處理工藝方法對7xxx 鋁合金組織和性能的影響規律。