空冷处理对铸轧超高强铝合金组织与性能的影响

苏晓瞳 辽阳职业技术学院

空冷处理对铸轧超高强铝合金组织与性能的影响

苏晓瞳 辽阳职业技术学院

通过光学显微镜、维氏硬度测试等方法，研究了空冷处理对铸轧 7050铝合金的固溶组织与性能的影响。

铝及铝合金越来越成为工业主要结构用材，其发展应用与工业的发展息息相关，根据铝及铝合金的性能特点以及工业与工艺方面的需要，对铝及铝合金进行归类研究，分析铝合金的应用情况并提出了铝及铝合金的下一步发展方向。

铝及铝合金具有密度小、耐蚀性和成型性好等一系列优点[1]。在航天、航空、船舶、核工业及兵器工业等有着广泛的应用前景及不可替代的地位。因而铝和铝合金的研制技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。

1 铝及铝合金的特点

第一密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。其次抗大气腐蚀性能好。铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。最后加工性能好，比强度高。

纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，虽经冷变形强化，强度可提高，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可大大提升，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。铝合金按生产工艺可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铸造铝合金又可分为Al-Si，系铸造铝合金、Al-Cu，系铸造铝合金、Al-Mg，系铸造铝合金、变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝四类。防锈铝包括Al-Mn，及Al-Mg，系合金，抗腐蚀性好，机械强度高于工业纯铝，同时具有良好的焊接性能，但不能热处理强化。。铜是硬铝中的主要合金元素，为了提高强度，铜含量控制在4．0%-4．8%的范围内。超硬铝属Al-Zn-Mg-Cu系是铝合金中强度最高的一类。通过控制镁、锌总量，添加适量的铜、铬及锰可改善合金的抗应力和抗腐蚀能力。

此材料系超高强度铝合金具有良好的切削性能，机械强度高，耐磨性能好经热处理后硬度高，国内此材料已逐步代替铜材。氧化性能一般是本企业主要生产牌号。可生产铝棒、方棒、异型棒，但不可生产空腹产品，广泛用于汽车活塞、受力元件、气动元件、五金件、摩托车配件、接头等。

2 超高强铝合金的特点

超高强度铝合金是以Al-Zn-Mg-Cu系为主的可热处理强化的铝合金。它具有高的比强度和硬度、良好的热加工性、优良的焊接性能、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点，宜做承受较大的结构材料，广泛应用于航空航天领域。

随着航空航天事业的发展，人们逐渐认识到，对结构材料的性能要求不仅是好的静强度和刚度，而且还包括较好的抗蚀性能，较高的断裂韧性和疲劳强度。

此类合金是随着航空和航天发展需要而开发出来的一类超高强铝合金材料，屈服强度一般在500MPa以上，它具有高的比强度和硬度、良好的热加工性、优良的焊接性能、较好的耐腐蚀性能以及较高的韧性等优点。超高强铝合金因为性能优越而且成本较低，在很多领域取代了昂贵的钛合金，成为飞机制造中不可或缺的重要结构材料，也是战斗机、导弹等武器系统的关键结构材料之一，广泛应用于航空航天及军事工业。

随着现代航空航天工业及民用飞机事业的发展，超高强铝合金的用量大大增加，对超高强铝合金材料也提出了更高的要求，比如高的比强度、高的比刚度、高的断裂韧性、低的裂纹扩展速率、抗疲劳、耐腐蚀性能等。为了满足这种需求，材料工作者通过采用新型加工成形方法及热处理工艺，优化合金的成分设计等，研发出多种使用性能较好的超高强铝合金，这些合金既具有高的抗拉强度，又能保持较高的韧性和耐腐蚀性能。超高强铝合金正成为世界各国结构材料开发的热点之一。

3 超高强铝合金的热处理工艺

高强铝合金热处理的目的是通过工艺参数的合理选择，使合金得到良好的综合性能。高强铝合金热处理主要包括均匀化、固溶淬火、时效等工艺，其中时效工艺又包括单级时效、双级时效、回归再时效和形变时效(形变热处理)。

3.1 固溶热处理

超高强铝合金主要通过时效析出而强化，过饱和程度的提高将提高时效析出相的数量，增加强化效果。在现有合金的发展演变过程中，为保证或提高合金的强度，常提高合金元素的含量，在可溶结晶相未充分固溶的情况下，这对合金的综合性能产生不利影响。过饱和程度既与合金成分有关，也与固溶程度有关。因此，对时效强化效果而言，提高固溶程度与增加合金元素含量作用是类似的。采用双级强制固溶处理和连续升温固溶处理技术可以有效提高固溶效果。强化固溶与一般固溶相比，在不提高合金元素总含量的前提下提高了固溶体的过饱和度，同时减少了粗大未溶结晶相，对于提高时效析出程度和改善抗断裂性能具有积极意义，是提高超高强铝合金综合性能的一个有效途径。

3.2 单级时效

单级时效是一级时效。完全时效后，晶内析出细小的共格或半共格弥散相，晶界分布着较粗大的连续链状质点，这种晶界组织对应力腐蚀和剥落腐蚀十分敏感。完全时效后合金强度可达峰值(T6态)，但抗应力腐蚀性较差。

3.3 双级时效

双级时效的目的就是牺牲部分合金的强度，提高合金的抗应力腐蚀性能。双级时效中，第一级时效为低温预时效，相对于成核阶段，形成大量的GP区，那些能在高温时效温度下稳定存在的GP区优先成核转化为η′相。第二级是高温时效，在晶内主要形成均匀分布的盘状相，在亚晶界上形成尺寸较大的η′相析出，在大角度晶界上发现更粗大质点，显然是较稳定的η′相，随着时效时间的延长，晶内η′相粗化，晶界η′相稳定并长大，亚晶界上PFZ明显增宽。经双级时效处理，合金中的主要强化相为细小弥散的η′相。

3.4 回归再时效

回归再时效处理是一种特殊的时效处理工艺。它包括三个阶段：第一阶段在较低温度下进行峰值预时效，晶内是细小的η＇相和球状GP区，晶界为连续的η相质点，强度较高，这与峰时效状态相同；第二阶段，在较高温度下进行短时回归处理，晶内的析出相经回归处理后又都回溶到基体内，同时晶界上的连续链状析出相在此阶段已形成较稳定的η＇和η相，在高温下不会回溶而会发生合并和长大，不再连续，呈离散状分布，这种晶界组织使抗应力腐蚀性能大为改善，而晶内强化相溶解使合金强度大大降低；第三阶段，在较低温度下再时效，晶内固溶的η＇相将重新析出并且呈细小弥散分布，晶界仍为粗大不连续的η相。总的来说，RRA处理后合金的晶内组织与峰时效的晶内组织相似，为细小均匀分布的共格和半共格的强化相，但合金强度有些许下降，晶界处与过时效的晶界组织相似，为离散分布的粗大非共格析出物，并存在着晶界无沉淀析出带。这种组织具有峰时效过时效的优点，使合金具有很高强度和良好的抗应力腐蚀。

4 空冷处理对铝合金的性能影响

4.1470 ℃以下单级固溶，随着固溶温度的升高，粗大第二相逐渐溶解，溶质原子的沉淀强化占主导地位，合金强度升高； 470℃以上单级固溶，粗大第二相减少到一定程度，再结晶百分数和亚晶尺寸迅速增大，软化因素占主导地位，合金强度降低。双级固溶基本消除粗大第二相，同时抑制了再结晶和亚晶的长大，故强度比单级固溶的最大值还高。固溶后预析出，基体中重新析出粗大第二相，无强化效果，导致合金强度非常低，仅与440℃单级固溶类似。

4.2 单级固溶中，随着固溶温度的升高，粗大第二相减少，断裂韧性提高，但随着温度的进一步升高，再结晶百分数和亚晶尺寸迅速增大，沿晶断裂比例增大，断裂韧性降低。双级固溶后，粗大第二相充分融入基体，再结晶和亚晶尺寸较小，断裂韧性超过单级固溶样品断裂韧性的最大值。固溶后预析出，基体中析出大量第二相，虽然再结晶百分数和亚晶尺寸较小，但亚晶界析出粗大的η相，导致裂纹沿亚晶界传播，断裂韧性非常低，仅与460℃单级固溶类似。

[1] King AI, Maria,JPetalNature，2000，406：1032