一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法

摘要

改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，第一级，将合金坯料放入热处理加热炉中，由室温升温至T1进行保温处理，保温时间t1，其中，300℃≤T1≤400℃，1h≤t1≤16h；第二级，由温度T1升温至T2进行保温处理，保温时间t2，420℃≤T2≤465℃，0.5h≤t2≤8h；第三级，由温度T2连续升温至T3，升温时间t3，465℃≤T3≤495℃，0.5h≤t3≤20h；之后将合金坯料由T3温度利用淬火介质冷却至90℃以下。本方法针对合金成分特点，在有效抑制合金发生再结晶或晶粒组织长大、以及防止合金发生过烧的情况下，使合金在固溶热处理过程中充分促进第二相的回溶、获得理想的过饱和固溶体，显著改进合金的微观组织及其综合性能。本方法还具有可操作性强、控制精确的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金热处理技术领域，特别是7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金的热处理方法；更具体地，本发明涉及一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法。

背景技术

7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu系)铝合金是典型的热处理可强化铝合金，合金坯料的固溶处理是使合金获得理想均一组织及优良综合性能的关键工艺环节之一。7xxx系铝合金加工材的综合性能，取决于经过人工时效热处理以后，其内部最终形成的时效沉淀强化相的数量与分布；而时效沉淀强化相数量，又直接与固溶热处理以后所得到的合金固溶体的过饱和程度成正比关系，因此需选择合理的固溶热处理条件，在保证微观组织不过烧的条件下，尽可能消除各种残留第二相、使强化元素充分回溶到合金基体之中，同时还要控制合金基体的晶粒尺寸及形态，为后续析出数量最大、形态与分布合理的时效沉淀强化相创造最有利的条件。

固溶热处理是将合金在低于固相线温度的合理温度进行一定时间的保温后进行淬火，以形成过饱和固溶体。随固溶温度的升高和保温时间的延长，7xxx系铝合金中残留相的溶质元素Zn、Mg、Cu等固溶到铝基体中，富Fe相等难溶相的棱角也会发生一定程度的钝化，残留相的尺寸及数量有所减小，可避免大块残留相对合金强度及断裂韧性的不利影响；同时，由于满足能量和形核条件，合金中亚晶及再结晶晶粒长大，再结晶程度随固溶温度升高和时间延长而增大，会对合金的强度、断裂韧性、耐剥落腐蚀及抗应力腐蚀等综合性能产生不利影响。因此，选择合理的固溶工艺以获得最大程度的过饱和固溶体及最小程度的再结晶比例成为各国材料学者追求的目标。近年来，国内外为此开展了相关的双级或多级固溶热处理方法研究，经现有方法处理的7xxx系铝合金的组织仍不够十分理想，要么第二相回溶充分、晶粒粗长大明显、再结晶比例高，要么再结晶比例低、晶粒细小、第二相回溶不充分，而且部分方法不易操控、易发生过烧现象。如何根据合金特点、对7xxx铝合金坯料固溶处理过程进行准确调控，实现对材料晶粒组织与第二相分布的合理调配，以提升合金组织均匀性及其综合性能显得至关重要，已成为当前7xxx系铝合金研究领域的技术难点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，可以针对合金成分特点、充分调控合金中第二相与晶粒组织的演变，能显著改进合金组织的均匀性及其综合性能。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，所述方法主要包含以下工艺步骤：(1)第一级(变形储能充分缓慢释放)：将7xxx系变形铝合金坯料放入热处理加热炉中，由室温升温至T₁进行保温处理，保温用时t₁，其中，300℃≤T₁≤400℃，1h≤t₁≤16h；(2)第二级(低熔点相充分回溶)：即由温度T₁升温至T₂进行保温处理，保温用时t₂，其中，420℃≤T₂≤465℃，0.5h≤t₂≤8h；(3)第三级(高熔点相充分缓慢回溶)：即由温度T₂连续缓慢升温至T₃，升温用时t₃，其中，465℃≤T₃≤495℃，0.5h≤t₃≤20h；(4)完成步骤(3)之后将合金坯料由T₃温度利用淬火介质迅速冷却至90℃以下。需要说明一下，由室温升温至温度T₁，再由温度T₁升温至T₂，在这两过程中，一般对于升温时间没有限定，只有到了优选技术方案再限定，如：由温度T₁升至T₂的升温速率小于3℃/min；在这上述两过程中，需要保温，保温时间分别为1h≤t₁≤16h、0.5h≤t₂≤8h；而在第三级由T₂连续升温至T₃，升温用时t₃，没有保温，立即利用淬火介质迅速冷却至90℃以下。

本发明通过大量研究和工业实践发现，通过采用精细设计的多级固溶热处理方法，可以有效调控7xxx系铝合金在固溶过程中的组织演变，在第一级处理过程中，由于采用较低的温度，利于变形态合金主要发生回复，充分消耗了合金中的变形储能，降低了合金在随后高温固溶处理下发生再结晶的驱动力，从而可以实现有效抑制合金再结晶比例的目的；同时，在该温度下合金发生充分的脱溶析出，利于抑制合金中亚结构的长大及合金元素的均匀再分布；在第二级，可使低熔点的非平衡共晶相Mg(Zn，Cu，Al)₂充分回溶，同时使其他第二相发生部分回溶，可提高合金的熔点，并通过控制该级升温速率，进一步抑制合金中晶粒组织的长大；在第三级，通过连续缓慢升温处理，使仍可能残留的少量粗大非平衡共晶相Mg(Zn，Cu，Al)₂回溶或发生相转变，使高熔点的Al₂CuMg和Al₂Cu等可溶第二相在必要的时间内发生充分回溶，使难溶的富Fe相等也会发生一定程度的球化，既最大程度的减少了合金中残留相得数量，又防止了合金晶粒组织的长大。采用该方法、通过三级处理的协同，可有效改善现有方法对组织无法兼顾的技术缺陷，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配，在合金强度水平得到提高的情况下，可使合金的伸长率、断裂韧性、耐蚀性能等得到显著提高。而且，本发明方法在工业条件下具有良好的可操作性。

本发明的第一个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其主要包含以下工艺步骤：(1)第一级固溶热处理：合金坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至T₁(单位：℃)进行保温处理，保温用时t₁(单位：h)，其中，310≤T₁≤385，2≤t₁≤12；(2)第二级固溶热处理：即由温度T₁升温至T₂(单位：℃)进行保温处理，保温用时t₂(单位：h)，其中，440≤T₂≤465，1≤t₂≤6；(3)第三级固溶热处理：即由温度T₂连续缓慢升温至T₃(单位：℃)，升温用时t₃(单位：h)，其中，470≤T₃≤490，1≤t₃≤16；(4)完成步骤(3)后将7xxx系铝合金坯料由T₃温度利用淬火介质迅速冷却至90℃以下。

本发明的第二个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其主要包含以下工艺步骤：(1)第一级固溶热处理：将合金坯料放入热处理加热装置中，由室温升温至T₁(单位：℃)进行保温处理，保温用时t₁(单位：h)，其中，320≤T₁≤370，3≤t₁≤9；(2)第二级固溶热处理：即由温度T₁升温至T₂(单位：℃)进行保温处理，保温用时t₂(单位：h)，其中，445≤T₂≤460，1≤t₂≤4.5；(3)第三级固溶热处理：即由温度T₂连续缓慢升温至T₃(单位：℃)，升温用时t₃(单位：h)，其中，475≤T₃≤490，3≤t₃≤14；(4)完成步骤(3)后将7xxx系铝合金坯料由T₃温度利用淬火介质迅速冷却至90℃以下。

本发明的第三个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其中在步骤(1)和(2)中，t₁与t₂满足：2≤t₁/t₂≤3.5。

本发明的第四个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其中在步骤(2)中，由温度T₁升至T₂的升温速率小于3℃/min；在一个优选方面，由温度T₁升至T₂的升温速率小于1℃/min。

本发明的第五个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其中在步骤(3)中，T₃、t₃与该7xxx系铝合金中的主强化元素Zn、Mg、Cu含量的关系满足：471+4.5Cu≤T₃≤476+7.9Cu-0.8(Zn/Mg)，t₃≥0.75(2.8Mg+Zn)+(470-T₂)/55-4，其中，Zn、Mg、Cu含量是以重量百分比计，式中的Zn、Mg和Cu分别为百分比数值，471+4.5Cu和476+7.9Cu-0.8(Zn/Mg)的数值的单位均为℃；0.75(2.8Mg+Zn)+(470-T₂)/55-4的数值的单位均为h。

本发明的第六个优选方案为：所述的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法，其中在步骤(4)中，使用淬火介质将合金坯料由T₃温度冷却至室温及其以下。

本发明所述方法不仅适用于7xxx系变形铝合金的固溶热处理，还可以用于其他变形铝合金、以及变形镁合金等金属材料。

与现有技术相比，本发明涉及的一种改进7xxx系变形铝合金组织与性能的固溶热处理方法的优点在于：

(1)本发明充分考虑了7xxx系变形铝合金的特性，可以针对合金成分特点，在有效抑制合金发生再结晶或晶粒组织长大、及防止合金发生过烧的情况下，使合金在固溶热处理过程中充分促进Mg(Zn，Cu，Al)₂、Al₂CuMg和Al₂Cu等第二相的回溶，可获得较理想的过饱和固溶体，从而显著改善合金的微观组织；并由此可使合金的综合性能得到显著提高。

(2)本发明的方法准确可靠，可操作性强、经济使用；充分考虑了7xxx系变形铝合金的特性及方法的工业化适用性；而且本方法适用范围广，同样适于类似的其他变形铝合金和镁合金等需要固溶热处理的金属材料。

附图说明

图1为本发明方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1中的横作标为时间t，其中，t₁、t₂分别为第一级、第二级的保温时间，对第一级、第二级的升温时间没有限定；t₃为第三级的升温时间，没有保温时间。图1中的纵作标为温度T，其中，T₁、T₂、T₃，分别为第一级、第二级、第三级的热处理的温度。如图1所示，到达T₃后，立即利用淬火介质迅速冷却至90℃以下。

实施例1

该实施例以7050合金(Al-6.4Zn-2.3Mg-2.2Cu-0.12Zr(wt％))100mm厚锻件为研究对象。7050合金板材是经半连续熔铸→均匀化热处理→锻压热变形等主要工艺环节制备而成，在变形态板坯上切取至少两组块体平行试样，进行不同方案的固溶热处理试验，固溶热处理制度如表1所示。完成固溶处理后立即进行水淬冷却至室温，其中一组淬火态采用OM和SEM观察和评价合金固溶效果及过烧情况，另一组淬火态试样随后进行115℃/8h+160℃/8h的双级时效处理，经试剂(84.4mL蒸馏水，15.0mLHNO₃，0.6mLHF，3.3gCrO₃)浸蚀后用OM观察，并结合EBSD验证分析，评价合金中再结晶比例及亚晶尺寸情况等。分析测试依照相关标准进行，对经不同固溶处理的试样进行组织分析，结果如表2所示。

表17050合金固溶热处理工艺方案

注：表示由上一个温度连续升温xh至该温度；未标注的即为未做特殊要求，进行随炉升温。

表27050合金经不同固溶热处理后的组织分析结果

*注：残留相基本为难溶的富Fe相(如Al₇Cu₂Fe，Al₂₃CuFe₄)和Mg₂Si相等。

实施例2

该实施例以7449合金(Al-8.2Zn-2.2Mg-1.8Cu-0.14Zr(wt％))25mm厚板材为研究对象。7449合金板材是经半连续熔铸→均匀化热处理→轧制热变形等主要工艺环节制备而成，在变形态板坯上切取至少两组块体平行试样，进行不同方案的固溶热处理试验，固溶热处理制度如表3所示。完成固溶处理后立即进行水淬冷却至室温，其中一组淬火态采用OM和SEM观察和评价合金固溶效果及过烧情况，另一组淬火态试样随后进行120℃/6h+162℃/8h的双级时效处理，经试剂浸蚀后用OM观察，并结合EBSD验证分析，评价合金中再结晶比例及亚晶尺寸情况等。分析测试依照相关标准进行，对经不同固溶处理的试样进行组织分析，结果如表4所示。

表37449合金固溶热处理工艺方案

注：表示由上一个温度连续升温xh至该温度；未标注的即为未做特殊要求，进行随炉升温。

表47449合金经不同固溶热处理后的组织分析结果

*注：残留相基本为难溶的富Fe相(如Al₇Cu₂Fe，Al₂₃CuFe₄)和Mg₂Si相等。

实施例3

该实施例以7034合金(Al-11.9Zn-2.9Mg-1.0Cu-0.24Zr(wt％))挤压棒材为研究对象。7034合金板材是经半连续熔铸→均匀化热处理→挤压热变形等主要工艺环节制备而成，在变形态板坯上切取至少两组块体平行试样，进行不同方案的固溶热处理试验，固溶热处理制度如表5所示。完成固溶处理后立即进行水淬冷却至室温，其中一组淬火态采用OM和SEM观察和评价合金固溶效果及过烧情况，另一组淬火态试样随后进行120℃/6h+165℃/8h的双级时效处理，经试剂浸蚀后用OM观察，并结合EBSD验证分析，评价合金中再结晶比例及亚晶尺寸情况等。分析测试依照相关标准进行，对经不同固溶处理的试样进行组织分析，结果如表6所示。

表57034合金固溶热处理工艺方案

注：表示由上一个温度连续升温xh至该温度；未标注的即为未做特殊要求，进行随炉升温。

表67034合金经不同固溶热处理后的组织分析结果

*注：残留相多为难溶的富Fe相(如Al₇Cu₂Fe，Al₂₃CuFe₄)和Mg₂Si相等。

对比实例1～3中针对不同合金采用不同固溶热处理后的组织分析结果，可以清楚的发现，采用本发明方法的多级固溶热处理方法可使合金获得优异组织匹配，可以使合金在不发生过烧的情况下，获得更好的回溶效果；同时，亚晶组织细小、且分布均匀，还可以有效地控制合金的再结晶组织比例，这必将显著提高合金材料的最终性能。

实施例4

该实施例以实施例1中的7050合金为研究对象，分别选用各自的传统工艺方案(1#、7#)和本发明工艺方法(11#)对合金锻件进行固溶热处理，完成固溶处理后立即进行水淬冷却至室温；随后在相同的条件下，对淬火态坯料采用相同的预压缩变形(3％)，并采用120℃/24h这一7xxx系铝合金通用的单级峰时效工艺进行处理，最终得到T652的时效态锻件。从锻件厚度1/2位置处取样，在相等条件下依照相关的测试标准，对合金的强度、伸长率、断裂韧性K_Ic、剥蚀性能和电导率进行测试，结果如表7所示。

表7合金挤压棒材的性能、表面质量及残余应力(时效态)

从表7中可以看出，与传统工艺方法相比，经本发明方法处理的合金材料显示出了更佳的性能匹配，在强度水平明显提高的情况下，获得了显著提高的延伸率性能、断裂韧性值和耐蚀性能，表现出较好的优越性。