CN102409272A

CN102409272A - 一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺

Info

Publication number: CN102409272A
Application number: CN2011103769799A
Authority: CN
Inventors: 冯朝辉; 黄敏; 张坤; 王胜强; 藏金鑫; 戴圣龙; 陆政; 王少华
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明是一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，其主要特点在于人工强制时效工艺为：45℃～90℃/15h～2400h+91℃～180℃/4h～96h。本发明采用85℃以下长时时效，最长达2400小时，使GP(I)区充分析出，而GP(II)区析出所必须的空位浓度没有太大变化，从而在86℃以上时效进一步析出强化相GP(II)区。合金在此状态下使用则具有较高的强度。若进一步在140℃以上控制合金至过时效状态，则本发明获得的较高预时效强度水平更有利于材料强韧匹配综合性能的提高。本发明适用的铝合金合金成分为：Zn 5.0～12.0％，Mg 1.2～3.2％，Cu 1.0～3.0％，Zr 0.04～0.30％或Cr0.10～0.40％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。该工艺技术适用于生产航空航天、船舶及汽车用铝合金厚板、薄板、锻件和挤压材。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺

技术领域

本发明是一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，属于金属材料工程领域。

背景技术

近年来，本领域发展了一些超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金如7055，7449、7068及7085等；亦发展了一些提高材料强韧性能的工艺方法如T77、T78及T79热处理工艺等。

T77、T78及T79等热处理工艺的设计思路是采用较浅的过时效，以保证材料高强度水平。T77时效工艺通过较高温短时的二级时效控制GP区的转变及回溶，提高材料韧性及耐蚀性能，随后急冷建立材料亚稳态，在经过三级时效进一步析出GP区，保证材料高强度水平；T78及T79时效工艺与T77时效工艺设计思路相近，均采用较浅时效控制材料强度的降低。

现代机械设计更注重低能耗及高寿命，为满足飞行器、汽车及船舶等运输机械长航时、高寿命及经济性的需求，高性能材料的需求越来越高。作为飞行器主要结构材料的铝合金，一般用量占整机重量的30％以上，最高可达到接近80％。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金为高强铝合金，合金以沉淀强化为主，固溶后组织析出规律为：过饱和固溶体→GP区→η’→η。GP区与基体共格；η’相与基体半共格；η相为平衡相。根据形成条件不同，GP区分为Mg、Zn原子聚集组成的GP(I)区及空位和溶质原子相互聚集形成的GP(II)区。GP(I)区在室温下即可形成；GP(II)区在70℃以上形成；140℃以上，GP(II)区和GP(I)区向η’相转变，而小于临界尺寸的GP(I)区回溶基体。

依据上述原理，研究长时时效对析出相的种类及形态的影响，研究表明90℃以下GP(I)区充分析出，随着温度升高其尺寸亦增大，达到溶质原子与平衡；90℃以上GP(II)区析出增加，130℃以上GP区析出需要具备一定的空位浓度，140℃以上GP(I)区向η’相转化行为明显；170℃以上达到了GP区回溶临界温度，材料沉淀相行为以GP区转化及回溶为主。

本发明是一种Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的人工强制时效改进工艺。传统工艺采用100℃以上温度保温一定时间促使第二相析出强化，使材料性能达到使用要求，在传统工艺温度下GP(I)区及GP(II)区同时析出，溶质原子及空位相互聚集，消融、两者的析出效果均不充分。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术在存在的不足而设计提供了一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，该工艺采用90℃以下长时时效，最长达2400小时，使GP(I)区充分析出，而GP(II)区析出所必须的空位浓度没有太大变化，从而在91℃以上时效进一步析出强化相GP(II)区。合金在此状态下使用则具有较高的强度。若进一步在140℃以上控制合金至过时效状态，则本发明技术方案获得的较高预时效强度水平更有利于材料强韧匹配综合性能的提高。

本发明涉及的工艺技术适用于生产航空航天、船舶及汽车用厚板、薄板、锻件和挤压材。

本发明技术方案的具体内容是：

该种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，该工艺适用的合金成分及重量百分比为：Zn 5.0～12.0％，Mg 1.2～3.2％，Cu 1.0～3.0％，Zr0.04～0.30％或Cr0.10～0.40％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al，该工艺包括合金熔铸、均匀化、锻造或挤压或轧制成型、淬火和时效工序，其特征在于：时效工序采用人工强制时效，工艺路线为：45℃～90℃/15h～2400h+91℃～180℃/4h～96h。

人工强制时效每级可分为2个或2个以上阶段。人工强制时效阶段采用连续升温方式完成。

本发明技术方案的优点是使Al-Zn-Mg-Cu系材料合金制品具有优异的强度及韧性。

附图说明

图1为固溶后空气淬火试样时效硬化极值趋势图，表示不同温度下时效的硬度极值，表明130℃以下材料强化相GP区析出不依靠空位浓度；

图2固溶后水介质淬火试样时效硬化极值趋势图，表示不同温度下时效的硬度极值，表明130℃以上材料强化相GP区析出依靠空位浓度，且在170℃以上GP区回溶；

图3过时效状态材料观察到的析出相。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

该种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，该工艺适用的合金成分及重量百分比为：Zn 5.0～12.0％，Mg 1.2～3.2％，Cu 1.0～3.0％，Zr0.04～0.30％或Cr0.10～0.40％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al，该工艺包括合金熔铸、均匀化、锻造或挤压或轧制成型、淬火和时效工序，合金熔铸、均匀化、锻造或挤压或轧制成型、淬火工序均可参照7050铝合金现有的工艺步骤及规范来完成，然后进行的时效工序采用人工强制时效，工艺路线为：45℃～90℃/15h～2400h+91℃～180℃/4h～96h。人工强制时效每级可分为2个或2个以上阶段。人工强制时效阶段采用连续升温方式完成。

该人工强制时效的具体工艺路线一如表1所示，其特点是两级时效中的一级时效制度温度可选45℃～90℃温度区间任一温度组合15h～2400h任何保温时间；二级时效制度配合温度可选91℃～180℃温度区间任一温度组合4h～96h任何保温时间。不同一级制度与二级制度任意组合成完整时效工艺。

路线一：采用两级时效，获得性能稳定的材料

表1路线一工艺及控制

该人工强制时效的具体工艺路线二如表2所示，其特点是两级时效均可分步完成。路线二将工艺路线一中的一级时效可分为2步或2步以上完成，保温温度逐步升高；二级时效制度亦可分为1～2步完成。多种温度、时间任意组合成完整的热处理制度。

路线二：一级时效分多步完成，二级时效分1～2步。

表2路线二工艺及控制

该人工强制时效的具体工艺路线三如表3所示，其特点是一、二级时效制度均可采用连续升温的方式完成。

路线三：采用连续升温方式完成，材料在45℃～90℃温度区间加热总时间为15h～2400h；在91℃～180℃温度区间加热总时间为4h～96h。

表3路线三工艺及其控制

采用传统人工时效工艺及发明工艺材料性能性能对比见表4。制成分别含Zr及Cr的两种材料XHJ-2及XHJ-3。

表4传统T6时效工艺下材料力学性能

两种材料采用本发明工艺热处理的不同路线，获得的L向材料性能见表5。对比表5及表4试验数据可知，采用本发明，材料强度明显提高。

表5发明峰值时效工艺下力学性能

本发明特点在于终时效前的低温长时预时效，促进GP(I)区的充分析出，从而提高材料整体强度水平。其实施路径亦可通过多步或连续升温实现。由表4及表5试验结果可知，采用发明工艺材料性能提高20MPa以上，具有明显的效益。

本发明优点在于：本发明采用90℃以下长时时效(最长达2400小时)，使GP(I)区充分析出，而GP(II)区析出所必须的空位浓度没有太大变化，从而在91℃以上时效进一步析出强化相GP(II)区。合金在此状态下使用则具有较高的强度。若进一步在140℃以上控制合金至过时效状态，则本发明获得的较高预时效强度水平更有利于材料强韧匹配综合性能的提高。

Claims

1.一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，该工艺适用的合金成分及重量百分比为：Zn 5.0～12.0％，Mg 1.2～3.2％，Cu 1.0～3.0％，Zr0.04～0.30％或Cr0.10～0.40％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al，该工艺包括合金熔铸、均匀化、锻造或挤压或轧制成型、淬火和时效工序，其特征在于：时效工序采用人工强制时效，工艺路线为：45℃～90℃/15h～2400h+91℃～180℃/4h～96h。

2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，其特征在于：人工强制时效每级可分为2个或2个以上阶段。

3.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强韧化时效工艺，其特征在于：人工强制时效阶段采用连续升温方式完成。