CN101921977A - 一种可热处理强化铝合金的时效热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，将待热处理的可热处理强化铝合金进行固溶处理，出炉快速水淬，然后放入应力-电场-温度多外场时效热处理设备中进行时效处理，时效温度为：23℃～270℃，应力为：50～150MPa，电场强度为：10～200kV/cm，时间为：7-15h。可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。本发明能解决可热处理强化铝合金人工时效过程中析出相较粗大、晶界沉淀相链状分布、无沉淀析出带较宽、利用单一温度场时效时疲劳寿命提高幅度小的难题，提高合金的综合力学性能和耐损伤性能。

Description

一种可热处理强化铝合金的时效热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种时效热处理工艺，特别是涉及一种可热处理强化铝合金的应力-电场-温度场耦合作用下的时效热处理工艺。

技术背景

可热处理强化铝合金是航空航天器中重要的结构材料，不仅要求其有较高的静强度，还要求材料有较好的耐疲劳损伤性能。提高铝合金的耐损伤性能，不仅使飞机在服役期间更加安全可靠，延长了使用寿命，还可以延长外场维护间隔时间，降低昂贵的维修费用，为社会带来可观的经济效益。微观组织决定性能，因此，必须改善合金内部的组织，才能获得满意的性能。

对于时效硬化型铝合金，时效过程中析出的强化相种类、数量、形貌、大小、分布和取向等微观组织特征在很大程度上决定了强化效果的大小。因此，对时效组织的精细调控成为材料科学与工程领域的热点之一。

Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金是典型的时效硬化型铝合金。其性能主要由基体沉淀相MPt(Matrix Precipitate)和晶界沉淀相GBP(Grain Boundary Precipitate)的结构、尺寸、分布以及晶界无沉淀析出带PFZ(Precipitate Free Zone)的特性等因素决定。为了能够得到满足需要的材料的宏观性能，就应该选择最佳的热处理工艺参数及热处理制度，使得MPt、GBP、PFZ三种微观组织之间达到最佳的配合。

为了实现对时效硬化型铝合金中微观组织的精细调控，近年来出现了一些新型的热处理方法：电场时效和应力时效。电场时效就是在时效过程中施加一定强度的静电场。研究表明，通过改变电场的极性(正电场或负电场)，调整电场强度的大小可以影响时效过程的动力学，使时效峰值提前，析出相细化，改善晶界的形态，提高了合金的塑形和疲劳寿命，降低了疲劳裂纹扩展速率，进一步提高了合金的耐损伤性能。应力时效是在时效过程中施加一定性质和大小的应力。文献报道，应力时效会使析出相产生一定的应力位向效应，不同性质的应力(拉应力或压应力)对析出相的析出方向影响不同，而且针对不同的合金，产生应力位向效应的临界应力大小也不同。

然而，目前国内外还没有将应力、电场和温度进行耦合时效处理的相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决可热处理强化铝合金人工时效过程中析出相较粗大、晶界沉淀相链状分布、无沉淀析出带较宽、利用单一温度场时效时疲劳寿命提高幅度小的难题，提高合金的综合力学性能和耐损伤性能的可热处理强化铝合金的时效热处理工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供的可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，将待热处理的可热处理强化铝合金在适当的固溶温度下进行固溶处理，出炉快速水淬，然后放入应力-电场-温度多外场时效热处理设备中进行时效处理，时效温度为：23℃～270℃，应力为：50～150MPa，电场强度为：10～200kv/cm，时间为：7-15h。

可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。

应力场、静电场和温度场的施加时期自由组合，即先自由时效一段时间后，再施加应力场和静电场，或应力场、静电场和温度场在同一时期施加。

采用上述技术方案的可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，通过在可热处理强化铝合金时效过程中施加强静电场来提高基体中时效析出相的形核率，并抑制其在高温作用下的长大和粗化，促进空位向着与电场方向相反方向运动，在晶界处聚集，提高时效析出相在晶界处的形核率，减小无沉淀析出带的宽度。时效过程中施加一定的应力场，利用应力在第二相形核期间的应力位向效应，改变时效析出相的析出位向关系，形成某一方向具有较多时效析出相的“组织织构”。由于在高温和一定应力作用下，会产生微量的塑性变形，产生位错，使晶界处时效析出相的密度增加，减小无沉淀析出带的宽度。时效析出相的细化、无沉淀析出带变窄、组织织构的强化效应等综合作用提高了合金的力学性能和疲劳寿命。本发明将应力场、静电场和温度场进行耦合，通过改变应力和电场的性质、大小、作用时期和保持时间，达到针对不同系列的时效硬化型铝合金，制定出最优的工艺参数的目的，最终实现对合金内部微观组织的精细调控，大大改善合金的综合力学性能、耐损伤性能和腐蚀性能。

本发明的优点在于：

1、采用强静电场和应力场的综合时效，细化了合金基体沉淀相，使晶界沉淀相不连续分布，无沉淀析出带变窄。

2、利用三种外场的耦合作用，取得了单一外场无法达到的效果，大大提高了合金的综合性能。

总之，本发明方法简单，操作方便，通过电场、应力等多外场来改善晶内析出相、晶界沉淀相和无沉淀析出带的形态和分布，有效的提高了合金的综合力学性能，是一种很有应用前景的热处理方法。

附图说明

图1为2E12铝合金在应力水平为0，电场强度为0，温度为250℃时效10h的晶内第二相TEM照片及相对应的衍射斑点；

图2为2E12铝合金在应力水平为0，电场强度为0，温度为250℃时效10h的晶界沉淀相及无沉淀析出带的TEM照片；

图3为2E12铝合金在应力水平为0，电场强度为100kv/cm，温度为250℃时效10h的晶内第二相TEM照片；

图4为2E12铝合金在应力水平为0，电场强度为100kv/cm，温度为250℃时效10h的晶界沉淀相及无沉淀析出带的TEM照片；

图5为2E12铝合金在应力水平为80MPa，电场强度为100kv/cm，温度为250℃时效10h的晶内第二相TEM照片及相对应的衍射斑点；

图6为2E12铝合金在应力水平为80MPa，电场强度为100kv/cm，温度为250℃时效10h的晶界沉淀相及无沉淀析出带的TEM照片；

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明作进一步说明。

实施例1：

试样采用厚度为1.6mm的2E12铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴中固溶30min，取出立刻淬火；然后放入应力-电场-温度多外场时效炉中进行时效，温度为250℃，拉应力为80MPa，电场强度为100kv/cm，时间为：15h。应力场、静电场和温度场的施加时期可以自由组合，即可以先自由时效一段时间后，再施加应力场和静电场，也可以应力场、静电场和温度场在同一时期施加。可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。

实施例2：

试样采用厚度为1.6mm的2E12铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴中固溶20min，取出立刻淬火；然后放入应力-电场-温度多外场时效炉中进行时效，温度为270℃，压应力为150MPa，电场强度为200kv/cm，时间为：7h。应力场、静电场和温度场的施加时期可以自由组合，即可以先自由时效一段时间后，再施加应力场和静电场，也可以应力场、静电场和温度场在同一时期施加。可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。

实施例3：

试样采用厚度为1.6mm的2E12铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴中固溶40min，取出立刻淬火；然后放入应力-电场-温度多外场时效炉中进行时效，温度为23℃，拉应力为50MPa，电场强度为10kv/cm，时间为：10h。应力场、静电场和温度场的施加时期可以自由组合，即可以先自由时效一段时间后，再施加应力场和静电场，也可以应力场、静电场和温度场在同一时期施加。可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。

对比例1：

试样采用厚度为1.6mm的2E12铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴中固溶30min，取出立刻淬火。然后放入应力-电场-温度多外场时效炉中进行时效，温度为250℃，应力水平为0MPa，电场强度为0kv/cm。

对比例2：

试样采用厚度为1.6mm的2E12铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃左右的盐浴中固溶30min，取出立刻淬火。然后放入应力-电场-温度多外场时效炉中进行时效，温度为250℃，应力水平为0MPa，电场强度为100kv/cm。

实施例1、2、3和对比例1、对比例2的性能指标如下表：

比较图1、图2与图3、图4，可以看出，施加电场时效后，2E12铝合金中的S相粒子明显变细，且晶界上的沉淀相由连续的链状分布变为不连续分布，由于晶界沉淀相对周围溶质原子的消耗减少，使得晶界附近的无沉淀析出带明显变窄。

比较图5、图6与图3、图4，可以看出，施加应力和电场进行复合时效后，两者的综合作用对材料的组织影响更加明显。对比图3、图4中的S相形貌，图5、图6中的S相产生了明显的应力位向效应，即沿某个方向的S相比另一个方向的S相数量要多，长宽比更大；晶界上的沉淀相也更加不连续，从照片中可以明显的看到彼此分离的第二相粒子断续的分布在晶界上，且晶界有变宽的趋势；较前两种处理方法，无沉淀析出带变得更窄。

Claims (3)

1.一种可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，其特征在于：将待热处理的可热处理强化铝合金进行固溶处理，出炉快速水淬，然后放入应力-电场-温度多外场时效热处理设备中进行时效处理，时效温度为：23℃～270℃，应力为：50～150MPa，电场强度为：10～200kv/cm，时间为：7-15h。

2.按照权力要求1所述的可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，其特征在于：可热处理强化铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。

3.按照权利要求1或2所述的可热处理强化铝合金的时效热处理工艺，其特征在于：所述的应力场、静电场和温度场的施加时期自由组合，即先自由时效一段时间后，再施加应力场和静电场，或应力场、静电场和温度场在同一时期施加。

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