熱處理工藝對(duì)高強(qiáng)度與超高強(qiáng)度航空用鋁合金板材強(qiáng)度影響研究綜述

許皓文 遲彤 李木易

摘要：通過(guò)研究影響可熱處理鋁合金強(qiáng)度的因素，據(jù)此分析了退火處理、固溶熱處理及人工時(shí)效處理三種典型的熱處理工藝對(duì)航空常用鋁合金強(qiáng)度的影響，提出了進(jìn)行熱處理的有關(guān)建議，為后續(xù)開(kāi)展航空用鋁合金板材熱處理工作提供支撐。

關(guān)鍵詞：鋁合金強(qiáng)度 熱處理工藝

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化已經(jīng)成為增強(qiáng)飛機(jī)性能的重要手段。在保證機(jī)身強(qiáng)度的同時(shí)，輕量化飛機(jī)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更小的自身重量，從而大幅降低油耗，或者帶來(lái)更好的機(jī)動(dòng)性能與操控性能。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑為結(jié)構(gòu)部件承力優(yōu)化以及選用比強(qiáng)度更高的材料，例如碳纖維、鈦合金、鎂合金以及鋁合金。其中鋁合金成本相對(duì)較低，因此在航空工業(yè)應(yīng)用特別廣泛，例如飛機(jī)蒙皮、客機(jī)機(jī)翼等大型零部件。而受到材料強(qiáng)度、加工性能等綜合因素影響，目前航空工業(yè)應(yīng)用最廣泛的鋁合金為6系列高強(qiáng)度鋁合金與7系列超高強(qiáng)度鋁合金，另有少量5系列中高強(qiáng)度鋁合金與2系列超高強(qiáng)度鋁鋰合金在部分零部件中得到采用。本文較為系統(tǒng)的總結(jié)了熱處理工藝對(duì)應(yīng)用最為廣泛的6系列高強(qiáng)度與7系列超高強(qiáng)度鋁合金強(qiáng)度的影響。

鋁合金強(qiáng)度的影響因素

材料強(qiáng)度即材料阻止微觀位錯(cuò)產(chǎn)生的能力，微觀位錯(cuò)在宏觀視角即為材料發(fā)生塑形形變。與鋼材由晶相決定強(qiáng)度不同，常見(jiàn)可熱處理的鋁合金基材均為α相排列且熱處理過(guò)程中基本不發(fā)生改變，因此可熱處理鋁合金強(qiáng)度由三部分因素共同影響決定：鋁原子為溶劑組成的晶格強(qiáng)度、溶解在鋁原子晶格內(nèi)的溶質(zhì)原子帶來(lái)的強(qiáng)度、以及未溶解的溶質(zhì)原子聚合析出物帶來(lái)的強(qiáng)度。

各種鋁合金材料中，α相鋁材的帶來(lái)的強(qiáng)度基本一致，約為50MPa左右;鋁基內(nèi)部溶解的溶質(zhì)原子帶來(lái)的強(qiáng)度取決于原子種類和溶解的總量。微觀溶質(zhì)原子聚合析出物大多比鋁晶格更強(qiáng)，可以強(qiáng)化材料阻止位錯(cuò)的能力，其形狀、強(qiáng)度、尺寸、密度等因素共同影響材料的強(qiáng)度。鋁合金位錯(cuò)發(fā)生時(shí)有微觀結(jié)構(gòu)有兩種情況，一種是將鋁合金析出物切斷（shearing），由于析出物強(qiáng)度高于鋁晶格，使得材料發(fā)生位錯(cuò)難度增大;一種是繞過(guò)析出物（bypass）使鋁晶格斷裂，由于產(chǎn)生位錯(cuò)時(shí)需要繞過(guò)更多鋁晶格，也使得材料發(fā)生位錯(cuò)難度增加。兩種情況均存在于同一塑性變形中，宏觀表現(xiàn)為材料強(qiáng)度增強(qiáng)。

6系列高強(qiáng)度鋁合金，又稱鋁-鎂-硅合金，強(qiáng)度可達(dá)300-400MPa。其在鋁原子之外主要溶質(zhì)原子為鎂原子和硅原子，人工時(shí)效過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)及析出物主要為成分為MgSi的β′和成分為Mg2Si的β。7系列超高強(qiáng)度鋁合金，又稱鋁鋅鎂合金，強(qiáng)度可達(dá)500-700MPa。其在鋁原子之外主要溶質(zhì)原子為鋅原子和鎂原子，人工時(shí)效過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)及析出物主要為成分為MgZn的η′和成分為Mg2Zn的η。

析出物的形狀

溶質(zhì)析出物的形狀多種多樣，如圖1所示，目前主流研究將其分為三種類型，分別為球狀、面狀與柱狀，析出物的形狀僅由析出物構(gòu)成決定。析出物的形狀對(duì)位錯(cuò)切斷和繞過(guò)的能力均有影響，因而直接影響材料強(qiáng)度。有分析認(rèn)為，析出物帶來(lái)的強(qiáng)度由高至低分別是：柱狀、球狀、面狀。其中6系列高強(qiáng)鋁合金的主要析出物β′與β均為球狀，7系鋁合金主要析出物η′與η均為柱狀。圖1中q為析出物的尺寸比，對(duì)每種析出物，其峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)尺寸比均有不同，其隨時(shí)熱處理的時(shí)間和溫度變化，影響鋁合金宏觀物理特性。

析出物的強(qiáng)度

析出物的強(qiáng)度越大，位錯(cuò)將其切斷的難度越大，因而材料強(qiáng)度增加。相似形狀的析出物，由于其原子組成不同，導(dǎo)致其內(nèi)部原子聚合物的聚合鍵強(qiáng)度不同，每種聚合物強(qiáng)度特性主要隨聚合物內(nèi)部原子比例與排列相關(guān)，與聚合物形狀關(guān)系很小。6系列鋁合金產(chǎn)生的析出物β′與β均為球狀，在相同尺寸與尺寸比下，β′強(qiáng)度比β更高，所以β′含量及比例高的6系列鋁合金強(qiáng)度更高。對(duì)于7系列鋁合金也有類似現(xiàn)象，η′析出物的強(qiáng)度明顯高于η。

析出物的尺寸與密度

目前研究普遍認(rèn)為，在析出物相同的情況下，材料強(qiáng)度隨著析出物尺寸的增長(zhǎng)先增強(qiáng)后減弱，隨著析出物密度增加而增強(qiáng)。隨著析出物的增大，其對(duì)位錯(cuò)切斷的抵抗能力更強(qiáng)，而位錯(cuò)需要繞過(guò)析出物個(gè)數(shù)相對(duì)減少，因而其對(duì)位錯(cuò)繞過(guò)的抵抗能力越來(lái)越弱，所以兩種因素相結(jié)合產(chǎn)生了先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

典型熱處理工藝對(duì)鋁合金強(qiáng)度的影響

鋁合金常見(jiàn)的典型熱處理工藝有退火處理、固溶熱處理與人工時(shí)效處理，材料加工成形一般發(fā)生在退火處理之后。

退火處理

退火處理指將鋁合金加熱到300-400℃左右并保溫?cái)?shù)小時(shí)后慢速冷卻，其目的是使得材料原子分布均勻、將內(nèi)部晶格空隙與錯(cuò)位等缺陷修復(fù)、釋放材料應(yīng)力，從而使得材料本身強(qiáng)度更低、性能更均勻、加工性能更好。此時(shí)得到的鋁合金是在常溫狀態(tài)下強(qiáng)度最低的狀態(tài)。退火處理后的鋁合金微觀組織上已經(jīng)形成少量高溫下才會(huì)產(chǎn)生的類似T、S等低強(qiáng)度析出物，且緩慢降溫過(guò)程中鋁合金逐漸析出部分低密度小尺寸析出物，即便再次經(jīng)過(guò)人工時(shí)效處理，也很難達(dá)到材料的最高強(qiáng)度。因此，退火處理后的鋁合金加工成為零件后，需要重新經(jīng)過(guò)固溶熱處理與人工時(shí)效處理進(jìn)行強(qiáng)化[7]。

固溶熱處理

固溶熱處理一般在材料加工成形之后，將鋁合金零件加熱并保溫在其固溶溫度之上30min-2h，溫度一般為440-535℃[8]。與熱水能溶解更多鹽的顆粒類似，固溶熱處理在不造成鋁原子α相排列破壞的前提下，在高溫狀態(tài)下將其他溶質(zhì)原子析出物溶解為原子狀態(tài)溶入鋁原子晶格當(dāng)中。

固溶熱處理后的鋁合金在降溫過(guò)程中可能會(huì)有部分溶質(zhì)原子重新析出。圖2給出了AA7150鋁合金在固溶熱處理后的持續(xù)降溫相變圖，其中軸為時(shí)間，縱軸為溫度，在降溫過(guò)程中如果降溫曲線穿過(guò)途中所示三個(gè)區(qū)域，將分別產(chǎn)生區(qū)域?qū)?yīng)的析出物。按照?qǐng)D2所示，此種鋁合金固溶熱處理后需要降溫速率達(dá)到300℃/s以上才能保證不產(chǎn)生新的析出物。因此固溶熱處理后的鋁合金一般需要進(jìn)行淬火，就是將高溫鋁合金快速冷卻，確保在冷卻過(guò)程中溶質(zhì)原子不重新聚合析出。淬火后的鋁合金被稱為過(guò)飽和固溶狀態(tài)（supersaturated solid solution），類似快速冷卻后未析出鹽晶體的過(guò)飽和鹽水溶液[8，9]。

人工時(shí)效處理

人工時(shí)效處理一般在固溶熱處理之后，將過(guò)飽和固溶狀態(tài)鋁合金零件加熱并保溫在110-190℃左右24-72h，使溶解在鋁晶格內(nèi)的溶質(zhì)原子加速聚合析出。時(shí)效的溫度越高，析出物尺寸成長(zhǎng)速度越快、密度越低、可析出溶質(zhì)原子越少[9]。

圖3為適用于大部分6系列和7系列鋁合金強(qiáng)度隨人工時(shí)效時(shí)間的因素及過(guò)程的示意圖。圖中橫軸為人工時(shí)效時(shí)間，縱軸為材料屈服強(qiáng)度。虛線Intrinsic Strength為鋁原子晶格提供強(qiáng)度，在時(shí)效過(guò)程中基本不變。虛線Solid Solution Strength為溶質(zhì)原子提供強(qiáng)度曲線，隨著時(shí)效過(guò)程中析出原子增多而降低直至達(dá)到此溫度下平衡。虛線Net Precipitation Strength為析出物提供的強(qiáng)度，隨著時(shí)效時(shí)間先上升后下降，為上方兩條虛線綜合影響結(jié)果，其中上方兩條虛線分別為析出物抵抗位錯(cuò)切斷（上升線）和繞過(guò)（下降線）的強(qiáng)度。實(shí)線（Net Ageing Curve）為鋁合金材料強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間變化曲線，為除上方兩條虛線外其他三條虛線在同一橫坐標(biāo)下加和。

根據(jù)材料的不同，在時(shí)效的前10min-1h之內(nèi)，析出物密度基本定型，后續(xù)時(shí)效過(guò)程主要為析出物長(zhǎng)大過(guò)程。在這段時(shí)間內(nèi)，隨著溶質(zhì)原子逐漸析出，其作為溶質(zhì)原子所提供的強(qiáng)度逐漸降低;隨著析出物數(shù)量的增加與尺寸的增長(zhǎng)，析出物提供的對(duì)錯(cuò)位切斷和繞過(guò)的附加抗力增加，使材料不斷增強(qiáng)。此過(guò)程中由于析出物增長(zhǎng)帶來(lái)的強(qiáng)度增項(xiàng)遠(yuǎn)高于溶質(zhì)原子減少造成的強(qiáng)度降低，所以材料整體上表現(xiàn)為強(qiáng)度增長(zhǎng)。

在析出物密度基本穩(wěn)定后，隨著時(shí)效時(shí)間加長(zhǎng)，溶質(zhì)原子提供的強(qiáng)度繼續(xù)略有降低，析出物長(zhǎng)大過(guò)程中材料強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)。時(shí)效達(dá)到一段時(shí)間后，鋁基中可析出溶質(zhì)原子已基本析出，因此溶質(zhì)原子提供的強(qiáng)度基本穩(wěn)定。此時(shí)析出物大小與密度基本達(dá)到最佳平衡，材料強(qiáng)度達(dá)到在不考慮加工硬化下的最大強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)圖中實(shí)現(xiàn)的最大點(diǎn)。此時(shí)認(rèn)為鋁合金達(dá)到人工時(shí)效后最大強(qiáng)度T6狀態(tài)。

在強(qiáng)度最大點(diǎn)后繼續(xù)人工時(shí)效，析出物繼續(xù)長(zhǎng)大過(guò)程中沒(méi)有自由狀態(tài)的溶質(zhì)原子可以加入，因此一部分析出物逐漸縮小釋放出更多溶質(zhì)原子，而另一部分析出物捕獲吸收這些溶質(zhì)原子進(jìn)而進(jìn)一步長(zhǎng)大。此過(guò)程中部分析出物的不斷長(zhǎng)大，使得其抵抗位錯(cuò)切斷的能力略有增強(qiáng)，但抵抗位錯(cuò)繞過(guò)的能力逐漸降低，而且隨著部分析出物尺寸減小，其抵抗切斷的能力也快速降低，整體上材料強(qiáng)度隨著人工時(shí)效降低而降低。與此同時(shí)，隨著其中一種溶質(zhì)原子率先完成析出，另一種還有富裕的溶質(zhì)原子無(wú)法形成新的析出物，只能加入已有的析出物，導(dǎo)致析出物成分變化，析出物強(qiáng)度降低。例如6系列鋁合金此時(shí)主要析出物β′（MgSi）隨著Mg原子不斷加入，逐漸變?yōu)棣拢∕g2Si），7系列鋁合金主要析出物η′（MgZn）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣牵∕g2Zn），材料強(qiáng)度相應(yīng)下降。

在繼續(xù)保溫時(shí)效的過(guò)程中，部分析出物繼續(xù)長(zhǎng)大，而另一部分減小的析出物徹底溶解，導(dǎo)致析出物密度降低，其抵抗位錯(cuò)繞過(guò)的能力大幅下降，材料強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

結(jié)論

綜合以上熱處理工藝對(duì)航空用高強(qiáng)和超高強(qiáng)度鋁合金強(qiáng)度的影響，可知：

1.如果材料殘余應(yīng)力較大或微觀組織結(jié)構(gòu)不夠均勻，加工前需進(jìn)行退火處理，否則盡量避免該種熱處理，以防止部分低強(qiáng)度析出物的生成;

2.固溶熱處理為人工時(shí)效過(guò)程中材料強(qiáng)度增強(qiáng)的基礎(chǔ)，需要將溫度和時(shí)長(zhǎng)控制好以確保析出物基本溶解;

3.固溶熱處理后的淬火為關(guān)鍵工序，需要使降溫速率足夠大以確保降溫過(guò)程中不產(chǎn)生無(wú)用的析出物;

4.人工時(shí)效是一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜變化過(guò)程，由于每種材料、每批次材料成分不同，建議根據(jù)單批次材料做足夠的試片級(jí)熱處理試驗(yàn)，以確定該批材料的最佳熱處理溫度和時(shí)間，才能確保將材料強(qiáng)度發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

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