一种用于7075铝合金的超快速时效工艺及其应用

摘要

本发明公开了一种7075铝合金超快速人工时效强化工艺及其应用。超快速人工时效强化工艺为对固溶处理后的冷轧态标准成分7075铝合金在室温下自然时效数周，然后在大于150℃的高温下快速时效数小时。在本发明中，通过对7075铝合金进行自然时效预处理加上高温时效处理，相较于传统的T6时效热处理工艺，可以更快地获得与之相当的峰值硬度；自然时效预处理工艺采用在室温下进行时效的方法，无需能耗和热处理设备、操作简便；采用人工时效强化处理工艺可以实现7075铝合金的超快速强化，不仅能够节约工时、减少能耗、提高生产效率，还可以缩短材料研发周期，拓宽7075铝合金应用领域。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，尤其涉及一种用于7075铝合金的超快速时效工艺及其应用。

背景技术

铝合金具有密度低、成型容易、可回收性好等优点而被广泛应用于建筑、交通和航空航天等领域。可时效强化的Al-Zn-Mg-Cu合金(如7075铝合金)因其高比强度、高韧性、优良的耐腐蚀性以及优异的加工焊接性能，是重要的航空航天用轻质铝合金材料，也是汽车用Al-Mg-Si合金板材的潜在替代者。高强度铝合金在航空、汽车工业中的大规模应用不仅使得其产品可靠性得到了保证，还可以节约制造和燃料成本，获得更高效率的同时减少碳排放。在可见的未来，Al-Zn-Mg-Cu合金仍将继续为人们所重视和发展。

铝合金的强化机制一般有固溶强化、细晶强化和沉淀强化等，其强度受到几种强化机制的综合调控。在热处理过程中，合金中的溶质原子一部分溶于基体实现固溶强化，另一部分则会形成细小弥散的沉淀相分布在基体中实现沉淀强化。无论是粗晶还是细晶铝合金，几种强化机制中贡献最主要都来源于沉淀强化。以7075铝合金为例，其典型的T6时效热处理工艺(在120℃时效24小时)可以促进GP区和η′相的大量形成，从而使合金获得良好的性能。时效强化的核心在于，利用不同温度下溶质原子溶解度的变化，通过热处理调控溶质原子的析出行为，生成可有效阻碍缺陷运动的高密度析出相，从而显著提高材料的力学性能。其中，析出相的结构、尺寸和分布等特征决定了材料的强化效果。然而，过长的时效时间不仅会产生严重的能耗、拉长材料的研发周期，也大大地限制了该合金在汽车工业领域中的应用，例如汽车车身用Al-Mg-Si合金通常需要在半小时的人工时效处理过程中实现“烤漆强化”。因此，实现7075铝合金的快速强化，对于加速新型合金研发、拓宽合金的应用范围有着非常重要的意义。

通常来说，铝合金的析出行为是一个热激活的过程，析出相的形成速率与时效温度相关，因此提高时效温度是加速时效析出最简单的方法。然而有研究表明，铝合金的峰值强度会随时效温度的升高而逐渐降低。与之相比，自然时效预处理操作简便，无需能耗，是实现合金超快速强化的理想方案。目前，采用自然时效预处理在不损失峰值强度的前提下实现7075铝合金在高温时效下的超快速强化的方法尚未见诸报道。

发明内容

本发明提供了一种用于7075铝合金的超快速时效工艺，通过在一定温度条件下进行自然时效预处理，实现铝合金材料在高温(大于150℃)下时效超快速强化，相较传统T6时效热处理工艺更快达到峰值强度，显著提高硬度和强度。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种用于7075铝合金的超快速人工时效强化工艺

超快速人工时效强化工艺包括以下步骤：

步骤1)将固溶处理后7075铝合金在室温下自然时效数周；

步骤2)在高温下快速时效数小时。

所述步骤1)中，将固溶处理后7075铝合金在室温下进行4～8周的自然时效处理。

所述步骤2)中，快速时效时间为2～4小时，快速时效温度为150℃～180℃。

所述7075铝合金采用铸造-冷轧的方法制备得到：将1mm的冷轧态7075铝合金在475℃下固溶处理1.5小时，然后冰水淬火，之后进行步骤1)和步骤2)的时效处理：

所述7075铝合金的成分为：Si：0.04wt％；Fe：0.12wt％；Mg：2.57wt％；Cu：1.56wt％；Zn：5.84wt％；Cr：0.22wt％；Ti：0.012wt％；Zr：0.029wt％；Al：余量。

经过超快速人工时效强化工艺的7075铝合金的峰值硬度可达到168HV。

二、采用超快速人工时效强化工艺的7075铝合金的应用

经过超快速人工时效强化工艺的7075铝合金在汽车领域的应用，用于汽车车身板材，实现烤漆强化。

本发明的有益效果是：

1、通过对7075铝合金进行自然时效预处理加上高温时效处理相较于传统的T6时效热处理工艺，可以更快地获得与之相当的峰值硬度。

2、自然时效预处理工艺采用在室温下进行时效的方法，无需能耗和设备、操作简便。

3、如图1所示，自然时效预处理后进行高温时效，只需要4小时即可以达到峰值硬度168HV，而T6时效强化工艺则需要12小时(170HV)，采用人工时效强化处理工艺可以实现7075铝合金的超快速强化，不仅可以节约工时、减少能耗、提高制造效率，还可以缩短材料研发周期，拓宽7075铝合金应用领域(如应用在汽车车身板材上实现“烤漆硬化”)。

附图说明

图1是本发明的人工时效强化处理工艺(Nature ageing 8w+ageing@180℃)、传统T6时效热处理工艺制备的7075铝合金(Direct ageing@120℃)及180℃下直接进行高温时效的7075铝合金(Direct ageing@180℃)的硬度随时效时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明设计了一种7075铝合金超快速人工时效强化工艺，其特征为对固溶处理后的冷轧态铝合金在室温下自然时效数周，然后在较高温度下(大于150℃)快速时效数小时。

实验材料7075铝合金采用铸造-冷轧的方法制造，其成分(wt％)如下：Si：0.04；Fe：0.12；Mg：2.57；Cu：1.56；Zn：5.84Cr：0.22；Ti：0.012；Zr：0.029；Al：余量。将厚度为1mm的冷轧态7075铝合金在475℃下固溶处理1.5小时，然后冰水淬火，之后进行时效处理：(1)在保温箱中(20℃)完成8周的自然时效，然后在180℃下分别进行高温时效2、4、8、12、24小时；(2)作为对比，在120℃和180℃下分别进行时效2、4、8、12、24小时处理。然后分别测试不同时效条件各试样的维氏硬度，实验结果如图1所示；选取合适试样通过砂纸打磨和双喷减薄制备透射电子显微镜(TEM)试样，观察时效过程中析出相行为特征。TEM试样在球差校正透射电子显微镜下观察表征，同时可以做析出相分析。

所述人工时效强化工艺在固溶处理后首先进行了数周的自然时效处理。

所述人工时效强化工艺在完成自然时效处理过后，在180℃下高温时效处理数小时。

采用自然时效预处理和高温时效的人工时效强化工艺相较于高温时效和T6时效热处理工艺可以更快达到峰值硬度(4小时)。

如图1所示，可以看出，随时效时间延长，合金的硬度均有所提高；人工时效强化处理7075铝合金在时效4小时后达到峰值硬度(168HV)，而T6热处理7075铝合金在时效12小时后达到峰值硬度(170HV)，采用自然时效预处理和高温时效的人工时效强化工艺相较于高温时效和T6时效热处理工艺的峰值硬度相当。使用人工时效强化处理工艺可以明显缩短时效处理所需时间；而直接高温时效处理则会削弱7075铝合金的性能。