一种提高7系合金厚板均匀性和抗腐蚀性能的热处理工艺

摘要

一种提高7系合金厚板均匀性的热处理工艺，本发明对高强铝合金依次进行多级固溶处理、末端淬火、预拉伸、长时间自然时效处理、低温长时时效和中温时效处理，其中多级固溶处理中，第一级，温度 400～440℃， 时间 3h～6h；第二级，温度 440～470℃，时间 1h～3h；第三级，温度 470～490℃， 时间 0.5h～2h；本发明对淬火后的厚板采用预拉伸和逐级升温的多级时效工艺，有利于厚板芯层晶内强化相的析出及晶界析出相的粗化，提高了该系合金厚板均匀性和抗腐蚀性能，扩大了高强铝合金厚板的应用范围。

说明书

技术领域  本发明涉及一种金属的热处理工艺，尤其涉及一种高强铝合金厚板的一种热处理工艺。

背景技术7系铝合金具有密度低、强度高、较好的加工性能等特点而广泛用于航天、航空和汽车工业等领域。近年来，为了减轻重量，降低成本，飞机结构件向着大型化及整体化的方向发展，对大截面的7系合金厚板及锻件提出了迫切需求。但该系铝合金存在淬火敏感性，其力学性能和抗腐蚀性能随淬火速率的减小而降低，导致厚板厚度方向性能的不均匀。

淬火速率低时平衡相在弥散粒子、晶界及亚晶界上析出，降低合金的过饱和度、减弱时效强化效果。而时效热处理可以改变铝合金中的析出相的类型、尺寸大小、数量和分布，从而影响7铝合金的综合力学性能及抗腐蚀性能， 其中晶内析出相特征是控制合金强度的主要因素。晶内析出相尺寸小密度高且不易被位错切割，有利于提高合金的强度；晶界析出相特征主要影响合金的塑性、韧性和抗腐蚀性能，晶界析出相数量少、尺寸小和不连续分布均有利于提高合金的塑性、韧性和抗腐蚀性能。因此，如何控制热处理过程中晶内和晶界析出相的特征，对于提高合金综合力学性能与抗腐蚀性能有重要意义。

7系高强度铝合金厚板，在淬火后有两个显著特点：（1表层到中心层冷却速率的差异，导致厚度方向性能的不均匀，强度相差达到15%；(2)抗腐蚀性能差。以上两点制约了该系列合金厚板的广泛航空工业应用。因此，提高该系合金厚板的均匀性和抗腐蚀性能成为该系列合金的难点。

发明内容

本发明的目的是为了解决7系合金厚板的不均匀性和抗腐蚀性能较差的问题，采取多级固溶处理，预拉伸和逐级升温的多级时效工艺，显著提高了该系合金厚板的均匀性和抗腐蚀性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

对高强铝合金依次进行多级固溶处理、末端淬火、预拉伸、长时间自然时效处理、低温长时时效处理和中温时效处理。

对高强铝合金依次进行多级固溶处理、末端淬火、预拉伸、长时间自然时效处理、低温长时时效处理和中温时效处理，具体过程为：

1) 多级固溶处理：工艺参数为，第一级，温度 400～440℃， 时间 3h～6h；第二级，温度 440～470℃，时间 1h～3h；第三级，温度 470～490℃， 时间 0.5h～2h；

2) 末端淬火：冷却至室温，淬火介质为室温水，淬火样品尺寸：（20-30mm）×（20-30mm）×(110-150mm)，在末端淬火装置上对样品一端进行喷水冷却，淬火转移时间不超过15s；

3) 预拉伸：工艺参数为，在末端淬火完成后2-8h之内，在末端淬火样品中心沿喷水方向切下1-4mm厚的薄片进行1%～3%预拉伸变形；

4) 长时间自然时效处理：工艺参数为，温度室温，时间120h～240h；

5) 低温长时时效处理：工艺参数为，温度60～90℃，时间24h～48h，温度90～110℃，时间12h～36h；

6) 中温时效处理：工艺参数为，温度110～140℃，时间6h～24h。

所述的高强铝合金为7050热轧厚板，其质量百分成分为：

Al-6.06Zn-2.20Mg-2.12Cu-0.11Zr-0.05Fe-0.05Ti-0.05Si 。

步骤1）中第一级温度保持在420～440℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温4h，然后以1℃/h慢速升温至第二级固溶处理，温度保持在450～465℃，保温2h，再以1℃/h慢速升温至第三级固溶处理，温度保持在470～485℃，保温1h ；然后将样品快速转移到末端淬火装置上对其一端喷水冷却。

所述步骤3)中对薄片进行2%预拉伸变形。

所述步骤4)中将样品在室温下放置时间为180h。

所述步骤5) 中将炉温保持在85℃，当到达时效温度时开始计时，保温36h后，将炉温升高至105℃，保温24h，出炉后空冷至室温。

所述步骤6) 对铝合金进行中温时间效处理，将炉温保持在125℃，当到达时效温度时开始计时，保温12h，出炉后空冷至室温。

本发明的积极效果：

本发明显著提高高强铝合金厚板的均匀性和抗腐蚀性能。该系合金厚板淬火过程中心部存在淬不透的现象，常规的峰值时效或者过时效热处理工艺导致厚板沿厚度方向组织性能不均匀，而对淬火后的厚板采用预拉伸和逐级升温的多级时效工艺，有利于厚板芯层晶内强化相的析出及晶界析出相的粗化，从而显著提高该系铝合金厚板的均匀性和抗腐蚀性能，本发明所采用的热处理工艺已经实现工业应用。

附图说明

图1为本发明第三级时效时不同时效温度的淬透性曲线对比图；

图2为本发明第三级时效时不同时效温度的硬度保留值对比图；

图3为本发明第四级时效时不同时效温度的淬透性曲线对比图；

图4为本发明第四级时效时不同时效温度的硬度保留值对比图；

图5峰值时效制度下的淬透性曲线图；

图6为本发明逐渐升温的多级时效时剥落腐蚀照片（从左至右冷却速率逐渐降低）；

图7为峰值时效时剥落腐蚀照片（从左至右冷却速率逐渐降低）。

具体实施方式

实验设备：普通热处理炉、末端淬火装置 ( 水温为室温 )、水浴保温箱

实验材料：7050 铝合金（成分如表1所示）、厚度为80mm热轧板

表1 7050 铝合金成分

元素ZnMgCuZrFeSiAl含量wt.%6.062.202.120.110.05<0.05余量

实施例1  热处理工艺共分六步进行：

第一步，对7050铝合金样品进行多级固溶处理，第一级，温度 420℃， 时间 4h；第二级，温度 450℃，时间 1.5h；第三级，温度 485℃， 时间 0.7h；

第二步，对末端淬样品进行一端喷水冷却至室温，淬火介质为室温水 ( 淬火转移时间不超过 15s)；

第三步，淬火后4h之内，对 7050 铝合金样品进行2%预拉伸变形；

第四步，对 7050 铝合金样品进行长时间自然时效处理，在室温下放置时间180h；

第五步， 对7050铝合金样品进行低温长时间时效处理，将炉温保持在85℃，当到达时效温度时开始计时，保温36h后，再将炉温分别设置为90℃、105℃和110℃中到温后保温24h；

第六步，对7050铝合金样品进行中温时效处理，将炉温保持在121℃，当到达时效温度时开始计时，保温24h；分别得到图1和图2，图1和图2中1表示时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h+90℃/24h+121℃/24h；2表示时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h+105℃/24h+121℃/24h；3表示时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h+110℃/24h+121℃/24h。

实施例2

第一步，对7050铝合金样品进行多级固溶处理，第一级，温度 420℃， 时间 3h；第二级，温度 450℃，时间 2h；第三级，温度 490℃， 时间 0.5h；

第二步，对末端淬样品进行一端喷水冷却至室温，淬火介质为室温水 ( 淬火转移时间不超过 15s)；

第三步，淬火后4h之内，对 7050 铝合金样品进行2%预拉伸变形；

第四步，对 7050 铝合金样品进行长时间自然时效处理，在室温下放置时间180h；

第五步， 对7050铝合金样品进行低温长时间时效处理，将炉温保持在85℃，当到达时效温度时开始计时，保温36h后，再将炉温分别设置为105℃，到温后保温24h；

第六步，对7050铝合金样品进行中温时效处理，将炉温分别设置为110℃、125℃和140℃， 放入试样，当到达时效温度时开始计时，保温12h；分别得到图3和图4，图3和图4中1-时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h+105℃/24h+110℃/12h；2-时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h+105℃/24h+125℃/12h；3-时效工艺为：自然时效180h+85℃/36h +105℃/24h +140℃/12h。

实施例3

第一步，对7050铝合金样品进行多级固溶处理，第一级，温度 420℃， 时间 3h；第二级，温度 450℃，时间 2h；第三级，温度 490℃， 时间 0.5h；

第二步，对末端淬样品进行一端喷水冷却至室温，淬火介质为室温水 ( 淬火转移时间不超过 15s)；

第三步，淬火后4h之内，对 7050 铝合金样品进行2%预拉伸变形；

第四步，对 7050 铝合金样品进行长时间自然时效处理，在室温下放置时间180h；

第五步， 对7050铝合金样品进行低温长时间时效处理，将炉温保持在85℃，当到达时效温度时开始计时，保温36h后，再将炉温设置为105℃，到温后保温24h；

第六步，对7050铝合金样品进行中温时效处理，将炉温设置125℃，当到达时效温度时开始计时，保温12h， 将处理后的样品进行48h的剥落腐蚀实验，结果如图5所示，图5中左端是喷水端，从左至右冷却速率逐渐降低。

从图1可以看出，第三级时效温度在90-110℃范围内，厚板的均匀性随时效温度升高先提高后降低，在105℃时效时厚板均匀性最好，两端差值只有2%，图2所示。从图3可以看出，第四级时效温度在110-140℃范围内，厚板的均匀性随时效温度的升高先提高后降低，在125℃时效效果最好，两端差值只有5%，图4所示。而常规的峰值时效处理之后两端的硬度差值达到12%，图5所示。因此，逐级升温的多级时效工艺显著提高了厚板的均匀性。

    将逐级升温的多级时效工艺处理的样品（实施例3）和峰值时效处理后的样品分别进行48h的剥落腐蚀实验，样品表面宏观形貌表明，采用逐级升温的多级时效工艺处理的样品局部被腐蚀，样品腐蚀程度较轻，见图6。而峰值时效下的样品表面被全面深度腐蚀，剥起非常严重，见图7，图7中左端是喷水端，从左至右冷却速率逐渐降低。由此说明逐级升温的多级时效工艺处理的样品抗腐蚀性能得到了显著提高。该过程是模拟厚板的淬火，样品从左至右就相当于厚板的表层到芯层，淬火时厚板芯层的冷却速率降低，导致耐腐蚀性能下降，采用逐级升温的多级时效工艺可以显著提高厚板芯层的抗腐蚀性能。从而提高了厚板抗腐蚀性能的均匀性。