7075-T73511鋁合金熱處理工藝研究

龐俊銘，胡 皓，劉旭東，周廣宇

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋁型材的綜合性能也逐漸有了更高的要求，鋁合金材料的強(qiáng)度、硬度已不能反映其綜合性能，電導(dǎo)率這種指標(biāo)已越來(lái)越引起人們的重視。電導(dǎo)率主要與材料的成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。當(dāng)合金成分一定時(shí)，其導(dǎo)電性的好壞取決于材料的內(nèi)部組織，材料的內(nèi)部組織又受其熱處理制度及拉伸的影響[1，2]。相比于常規(guī)試驗(yàn)，正交試驗(yàn)法可大大減少實(shí)際試驗(yàn)的工作量，用盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

7075 鋁合金屬于7×××系（Al-Zn-Mg-Cu）超高強(qiáng)合金，具有高強(qiáng)度、低密度、熱加工性能好的優(yōu)良特性，是航空航天器件的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料，也是目前各國(guó)結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一[2-6]。7075 鋁合金的強(qiáng)度和硬度具有時(shí)效雙峰特征[7]，然而獲得最佳強(qiáng)度的時(shí)效熱處理工藝未必具有合格的電導(dǎo)率指標(biāo)。熱處理制度與電導(dǎo)率有密切關(guān)系，7075 鋁合金的電導(dǎo)率受退火溫度、固溶處理溫度、淬火后停放時(shí)間及人工時(shí)效制度等諸多因素影響。T7351、T7651 及T73 狀態(tài)均有合適的熱處理工藝，以獲得最佳的力學(xué)性能[8-10]。作為一種常見(jiàn)的航空材料，7075 合金常用標(biāo)準(zhǔn)為AMS 4167H-2015，該標(biāo)準(zhǔn)要求及檢測(cè)方法異于國(guó)標(biāo)，力學(xué)性能與電導(dǎo)率呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中T7351、T7651及T73難以保證力學(xué)性能及電導(dǎo)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文選取一種7075 鋁合金擠壓棒材，引用預(yù)應(yīng)變及二次固溶處理的方法來(lái)進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析得出7075 鋁合金的最佳生產(chǎn)處理工藝，保證該合金的力學(xué)性能及電導(dǎo)率均能滿足標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備

本試驗(yàn)選取直徑為53.98 mm 的7075 鋁合金擠壓棒材，其實(shí)測(cè)合金成分見(jiàn)表1。該材料廣泛應(yīng)用于航空航天，AMS 4167H-2015 標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)記錄了7075-T73511狀態(tài)性能指標(biāo)，如表2所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 7075鋁合金標(biāo)準(zhǔn)要求

該合金熔煉采用火焰反射爐，生產(chǎn)前進(jìn)行烘爐、清爐以清除濕氣及爐渣。先將鋁錠及大塊料裝入，然后裝入中間合金，所裝爐料分布均勻，防止偏重。當(dāng)爐溫達(dá)到700 ℃左右時(shí)，保溫一定時(shí)間直至爐料熔化；爐料化塌時(shí)撒熔劑覆蓋熔體，并加入Cu 和Zn，保證熔體能淹沒(méi)Cu 和Zn；爐料化平后，適當(dāng)攪拌熔體，保證溫度均勻，加速熔化；待全部熔化并充分混合后加入Mg，保溫一定時(shí)間除氣扒渣；攪拌，取樣，調(diào)整成分，出爐，即制成7075 鋁合金鑄錠。對(duì)該鑄錠進(jìn)行均勻化處理，使鑄錠具有較好的化學(xué)和組織均一性，均勻化制度為（465±5）℃×10 h。將均勻化后的鑄錠于55 MN擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，制成? 53.98 mm 的擠壓棒材，為后續(xù)試驗(yàn)研究做準(zhǔn)備。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

本試驗(yàn)選擇固溶+預(yù)應(yīng)變+二次固溶+雙級(jí)時(shí)效的流程進(jìn)行研究。通過(guò)改變預(yù)應(yīng)變、二次固溶及雙級(jí)時(shí)效，獲得不同條件下的力學(xué)性能和電導(dǎo)率，采用正交試驗(yàn)方法分析獲得最佳的7075-T73511處理工藝。具體探究方案如下：

（1）固溶處理制度選擇試驗(yàn)方案：? 53.98 mm 7075合金棒材固溶溫度為462 ℃。因此，本試驗(yàn)選擇一次固溶時(shí)間為150 min，二次固溶時(shí)間分別為0 min、120 min及150 min。

（2） 預(yù)拉伸選擇試驗(yàn)方案：固溶后試樣拉伸不同變形量，7×××系合金常見(jiàn)的拉伸變形量為1%～3%。因此，本試驗(yàn)選擇的預(yù)拉伸變形量為0%、1%和3%。

（3） 雙級(jí)熱處理制度試驗(yàn)方案：由于本試驗(yàn)?zāi)康氖窃跐M足所需力學(xué)性能的同時(shí)保證一定的電導(dǎo)率，因此針對(duì)7075 合金選擇的雙級(jí)時(shí)效制度為105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h。

對(duì)處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能和電導(dǎo)率測(cè)試。采用SMP-10渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，按AMS 4167H-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)在檢驗(yàn)力學(xué)性能之前抽取的7075-T73511擠壓棒材樣品上測(cè)量電導(dǎo)率，選取最接近棒材壁厚中心位置，將棒材沿中心軸線切開(kāi)，測(cè)量截面電導(dǎo)率數(shù)值。采用AG-X 100KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，所有拉伸試樣均平行于擠壓方向截取。以上試驗(yàn)不同狀態(tài)的試樣測(cè)試3次后取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 雙級(jí)時(shí)效對(duì)組織及力學(xué)性能的影響

7075 鋁合金具有時(shí)效雙峰特征，雙級(jí)時(shí)效比單級(jí)時(shí)效更有利于獲得更高的電導(dǎo)率。因此，首先需選取恰當(dāng)?shù)碾p級(jí)時(shí)效制度。根據(jù)以往實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，7075鋁合金的常用雙級(jí)時(shí)效制度為105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h，對(duì)時(shí)效后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，并繪制圖1 所示的關(guān)系規(guī)律圖。從圖1 中可以看出，隨著二級(jí)時(shí)效時(shí)間的增加，強(qiáng)度逐漸降低，延伸率呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，而電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)效時(shí)間大于10 h時(shí)，電導(dǎo)率提高幅度平緩。因此選定的二級(jí)時(shí)效時(shí)間為10 h、12 h及14 h。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

圖1 二級(jí)時(shí)效時(shí)間與力學(xué)性能和電導(dǎo)率的關(guān)系圖

2.2 正交試驗(yàn)探究及工藝優(yōu)化

為研究預(yù)應(yīng)變及二次固溶對(duì)該合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響規(guī)律，試驗(yàn)采用L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇預(yù)拉伸（A）、二次固溶時(shí)間（B）及雙級(jí)時(shí)效時(shí)間（C）3個(gè)因素3個(gè)水平，如表4所示。其中二級(jí)固溶溫度為462 ℃。

表4 正交試驗(yàn)表

表5 所列為正交試驗(yàn)方案及結(jié)果。由表5 可知，獲得最佳電導(dǎo)率的生產(chǎn)制度為A3B2C1，此時(shí)獲得的性能為Rp0.2=463 MPa、Rm=525 MPa、A=14.5%及γ=39.56%IACS。采用極差分析正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出每一因素和水平下相應(yīng)力學(xué)性能及電導(dǎo)率的平均值及極差，進(jìn)而確定目標(biāo)工藝對(duì)性能的影響程度，極差分析結(jié)果見(jiàn)表6?？梢钥闯?，影響7075 合金屈服強(qiáng)度的因素主次依次為雙級(jí)時(shí)效時(shí)間、預(yù)拉伸和二次固溶時(shí)間。二次時(shí)效時(shí)間由10 h提高到14 h，7075 合金的屈服強(qiáng)度最大降低了30.34 MPa；影響7075 合金抗拉強(qiáng)度的因素主次依次為雙級(jí)時(shí)效時(shí)間、預(yù)拉伸和二次固溶時(shí)間。二次時(shí)效時(shí)間由10 h提高到14 h，7075合金的屈服強(qiáng)度最大降低了26.67 MPa；影響7075 合金延伸率的因素主次依次為雙級(jí)時(shí)效時(shí)間、預(yù)拉伸和二次固溶時(shí)間。二次時(shí)效時(shí)間由10 h提高到14 h，7075合金的伸長(zhǎng)率最大降低了2.66%；影響7075合金電導(dǎo)率的因素主次依次為二次固溶時(shí)間、預(yù)拉伸、雙級(jí)時(shí)效。二次固溶時(shí)間由0 min提高到150 min，7075合金的電導(dǎo)率最大提高了1.52%IACS。總體來(lái)看，對(duì)于導(dǎo)電材料7075 鋁合金而言，在保證一定力學(xué)性能和硬度的前提下，二次固溶時(shí)間對(duì)合金的電導(dǎo)率影響最大。

表5 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

為了直觀起見(jiàn)，用因素的水平變化為橫坐標(biāo)，指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)，畫出水平與指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，保證不同最佳性能的淬火時(shí)效工藝分別為：獲得最佳屈服強(qiáng)度性能的淬火時(shí)效工藝為A2B1C2，獲得最佳抗拉強(qiáng)度性能的淬火時(shí)效工藝為A2B3C1，獲得最佳伸長(zhǎng)率性能的淬火時(shí)效工藝為A2B1C1，獲得最佳伸電導(dǎo)率性能的淬火時(shí)效工藝為A3B3C1。

圖2 水平與指標(biāo)關(guān)系圖

由表5 正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在滿足表2 性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，獲得最大電導(dǎo)率的處理工藝為A3B2C1。由圖2 可以看出影響7075 合金不同性能的最佳工藝。表7示出了分別進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)A2B3C1 和A3B3C1 也能獲得較高的電導(dǎo)率，但A3B2C1 和A3B3C1 在獲得較高電導(dǎo)率的同時(shí)，力學(xué)性能下降較大，而A2B3C1在保證電導(dǎo)率的前提下，力學(xué)性能相對(duì)較高。因此最佳的處理工藝為A2B3C1，此時(shí)獲得的性能為Rp0.2=488 MPa、Rm=552 MPa、A=16.5%及γ=39.5%IACS。

一次固溶的目的主要是為了減少晶內(nèi)細(xì)小第二相的數(shù)量，同時(shí)減小晶界上的粗大第二相尺寸，增加固溶體中溶質(zhì)原子的過(guò)飽和度，經(jīng)后續(xù)的時(shí)效處理產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化從而提高合金強(qiáng)度[11]。通常情況下，固溶溫度越高，過(guò)飽和固溶體的濃度越高，晶格畸變?cè)龃螅妼?dǎo)率降低。固溶時(shí)間也是影響7075 鋁合金固溶效果的一個(gè)重要因素。7075 合金中含有Al、Zn、Mg、Cu 元素，而不同的結(jié)晶相的淬火速度各不相同，富Mg、Zn相固溶速度比富Cu相快[12.13]，延長(zhǎng)固溶時(shí)間可以增加富Cu相的固溶程度，使粗大的第二相粒子溶解到基體中，增加基體的過(guò)飽和度，在隨后的時(shí)效過(guò)程中促進(jìn)強(qiáng)化相的析出，提高合金的強(qiáng)度和塑性[14]。

預(yù)拉伸可有效地增加空位和位錯(cuò)濃度。晶體缺陷的存在使晶格發(fā)生畸變，使金屬電阻率提高，電導(dǎo)率下降。而停放一段時(shí)間后，電導(dǎo)率又會(huì)上升，這是由于7075 合金中含有合金元素Cr。由表1 可知，Cr 元素含量約為0.2%，其與空位具有較大的親和力，會(huì)優(yōu)先形成空位-原子集團(tuán)，從而降低了空位等晶體缺陷的濃度，晶格畸變區(qū)減少，電導(dǎo)率上升[15]。

7075 鋁合金進(jìn)行不同的熱處理時(shí)效后電導(dǎo)率有不同的變化。在進(jìn)行T6 處理后，其晶內(nèi)和晶界上分別存在著密集細(xì)小的沉淀相和析出相，幾乎看不出有PFZ 的存在，且晶內(nèi)仍有淬火后殘留的位錯(cuò)線，GP 區(qū)與母相保持相同的晶格，因此電導(dǎo)率低[15]；T76、T73 處理后，沉淀相從基體中析出長(zhǎng)大，與基體的共格關(guān)系減弱，降低共有電子運(yùn)動(dòng)的阻力，電導(dǎo)率升高；而進(jìn)行T7351處理后，在晶界上會(huì)析出粗大不連續(xù)析出相，在晶內(nèi)析出變粗的MgZn2。由于預(yù)拉伸消除了內(nèi)應(yīng)力減少了點(diǎn)陣畸變的發(fā)生，使共有電子運(yùn)動(dòng)變得容易，從而使電導(dǎo)率增加了[15]。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)方案與結(jié)果

3 結(jié)論

（1） 對(duì)于導(dǎo)電材料7075鋁合金而言，電導(dǎo)率為主要衡量指標(biāo)。通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析可知，在保證一定力學(xué)性能和硬度的前提下，二次固溶時(shí)間對(duì)合金的電導(dǎo)率影響最大。

（2） 通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證試驗(yàn)得出，預(yù)應(yīng)變1%+二次固溶462 ℃×150 min+雙級(jí)時(shí)效（105 ℃×8 h+175 ℃×10 h）時(shí)可獲得最佳性能，即Rp0.2=488 MPa、Rm=552 MPa、A=16.5%及γ=39.5%IACS。