7075 铝合金不同热处理状态下的性能研究

2020-03-19张琼

中国金属通报 2020年24期

张琼

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）

随着铝合金在经济发展中应用更加广泛，其综合性能的提升也越发重要[1]。7075 铝合金最初开发是为了宇航器具，该材料质量轻、强度高[2]。随后，7075 铝合金被应用于其他方面，例如：能源、化工等等[3]。和传统的材料不同，7075 铝合金可以通过热处理，将其性能更好地发挥出来[4]。作为A1-Zn-Mg-Cu 系合金，7075 铝合金具有高强、高韧的优势。但同样，也存在一些问题导致了综合性能不佳[5]。最严重的问题就是，对应力腐蚀过于敏感，这种缺陷带来的影响是致命的，应力腐蚀可以降低金属结构强度，最终导致失效，使得这种合金无法广泛应用[6]。本文通过对7075 铝合金的不同热处理状态研究，分析不同状态下合金的性能，寻找最优的热处理方式。解决其面对问题，为7075 铝合金的推广扫清障碍[7]。

1 试验材料及方法

1.1 实验材料及成分

该项试验所使用材料为，47mm 厚的7075 铝合金板，其成分如表1 所示。

表1 7075 铝合金化学成分（质量分数%）

1.2 实验方式

在传统的热处理方式中，为了保证7075 铝合金的强度，通常采用峰时效T6热处理的方式，这种方式保证了合金的高强度，但是，这种处理手段造成了合金的应力腐蚀性极高。另外还有一种G73 的过时效处理方式，这种方式改变了合金的晶界结构，对延缓腐蚀速度起了作用，但是却降低了力学性能。因此，本文想要打破传统的方式，将不同热处理状态下的合金性能进行研究。

第一种是固溶处理状态，就是将7075 铝合金高温加热到恒定温度，使其经过一小时充分溶解，随后快速冷却，用来获取过饱和固溶体；

第二种是分级淬火状态，将7075 铝合金快速加热保温，等内部与表面温度相符后，放入作为介质的水中进行冷却。这种方式可以使合金内部结构产生变化；

第三种是双级时效状态，双级时效指是在不同温度下进行两次时效处理。首先在较低的温度下进行预时效，以此来了解合金高密度的G.P 区，对组织的均匀性做一个提高；然后进行最终时效，这是需要保持较高温度，并且时长要增加，例如：在160、170、180、190℃保持16 小时以及170℃分别保持10、14、16、20 小时，最终提高7075 铝合金性能。

2 试验结果分析

2.1 固溶处理状态下合金处理结果

通过实验数据进行分析，对合金的性能产生最大影响的，是固溶处理的温度，固溶处理温度的升高后，7075 铝合金所展现出的硬度处于先上升后下降的状态，其拉伸强度也是这种趋势。合金性能最优的峰值，出现在470℃。470℃以后，随着温度的不断上升，各项数值皆开始下滑，如表2 所示。

表2 固溶处理中合金性能变化情况

2.2 分级淬火状态下合金处理结果

在分级淬火的处理状态中，以水作为淬火介质，进行一小时的慢冷工艺，将温度保持在350℃。通过这种淬火后，我们会可以观察到，7075 铝合金实验材料的内部结构发生了改变。

2.3 双级时效状态下合金处理结果

作为一种可强化的合金，7075 铝合金在经过时效处理后，才可以得到更高的力学性能。在双时效处理中，控制好一级、二级时效的温度，并且把握好时间，对合金的高强、高韧处理才能达到要求，充分发挥7075 铝合金的性能。并且，将这种力学性能同抗腐蚀性能完美合作。双时效处理对于力学性能的影响巨大，通过实验中不同温度、时间的测试，可以了解，温度不断上升后，双时效状态下的合金硬度在110℃左右出现最高值，随后开始掉落，这时候R=650，W=610，A=48%，Rm=28%。如图1 所示，图中R、W、A、Rm 四条曲线分别对应硬度、强度、塑性、以及伸长率四种性能。除了温度之外，时效时间也对合金的力学性能产生着重要影响。随着时间的流逝，一级时效中，3-4h 是合金的最高硬度，这也就是最佳处理时间。综上所述，一级时效处理的最好状态的参数为：温度（110±6）℃，时间为（3-4）h。二级时效的处理也做了相似实验，其结果如图2 所示，根据二级时效的实验展现出来的数据，我们可以得知，二级时效处理状态最好的时候是：温度(180±6) ℃，时间为（13-14）h。此时合金的硬度、强度、拉伸率分别达到了700、687、31%。

图1 一级时效温度对力学性能影响

图2 二级时效温度对力学性能影响

除此之外，通过显微镜下对微观结构的观察，此时合金的晶界结构受到改变，在高强、高韧特点保持的基础上，其耐腐蚀性也有所提升。

3 实验结果讨论

首先，7075 铝合金在固溶处理状态下，进行了试验观察，结果显示，其最佳处理参数为470℃×1h，合金的各种属性，包括硬度、强度等，在固溶温度升高的时候有所上升，但是470℃以后开始下降。由于固溶温度的不同，合金的强度和硬度发生不断变化，470℃以下时，由于强化因素在组织中处于主体位置，强度和硬度都在不断增加；超过这个温度，处于主导位置的就变成了软化因素，各方面都开始呈现下降趋势。其次，将7075 铝合金固溶处理后，以水为介质，进行350℃×1h 的淬炼，这种处理状态，可以使得合金内部结构有所改变，经过后续的恰当操作，在解决7075 铝合金应力腐蚀性大的问题，可以产生极为重要的影响。最后，对7075 铝合金进行双级时效处理时，可通过数据观察，得到最佳处理参数：（110±6）℃×（3-4）h+(180±6) ℃×（13～14）h。在这种处理状态下，7075 铝合金保证了高水平的力学性能，硬度、强度、拉伸率分别达到了700、687、31%。并且，很大程度提升了合金的抗应力腐蚀能力。

研究发现，想要降低7075 铝合金的应力腐蚀敏感度，就要从合金的晶界结构入手，一些分子，在通过原子的吸引后，聚集在一起，才产生了应力腐蚀的现象。现在，我们将这些分子称为β。在经过双级时效的热处理状态后，晶界结构中析出一些物质，起到强化作用。这些物质将结构中原有的分子β，进行了一定程度的隔离，保持了晶界结构内β 的合理分布，减缓聚集的程度，从而降低了7075 铝合金的应力腐蚀敏感度。通过观察，直接进行双时效处理时，显示的分子β 聚集现象依旧比较严重。但是先进行固溶处理和分级淬火，然后开始双时效处理，所显示的结果就是，晶界结构中分子β 分布较均匀，这种情况可能是由于前两种处理状态，造成了一种物质生成的倾向，这种物质就是阻碍分子β 聚集的因素。再结合后续的双级时效处理，这种物质开始完全产生，从而提升了合金的耐应力腐蚀能力。在一级时效状态下，7075 铝合金的强度达到了很高的数值，然而其析出阻碍β 聚合的物质较少，应力腐蚀性还比较大。但是，二级时效对于合金组织分解、强化产生较大作用，对耐蚀性的影响巨大。在经过合理的双时效热处理状态参数后，7075 铝合金的抗应力腐蚀性能大幅度提升。与此同时，合金的强度、韧性依旧很高。

在评价材料的应力腐蚀性时，通常我们会根据慢应变速率拉伸进行测试，再根据公式处理得到相数据。数值越大，代表材料的应力腐蚀性越高。计算公式是：

Q=1-[Tc×（1+Zo）]/ [Ti×（1+Ze）]

公式中Q 代表应力腐蚀指数，Tc 表示断裂强度在环境介质中显示的数值，Ti 代表的也是断裂强度，但是所处介质为惰性，Zo 与Ze 分别代表断裂伸长率。通过公式的计算，我们可以明显得出，固溶处理与双时效处理结合状态下的应力腐蚀指数为0.135，传统的T6 热处理状态下为0.803，G73 的为0.453，通过对比，本文提出的方式：固溶处理+分级淬火+(110±6) ℃×（3-4）h+(180±6) ℃×（13-14）h 双级时效，明显提升了7075 铝合金的耐应力腐蚀性能。