CN102796974B - 一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，该方法将低温区预时效分为先低温后高温两个阶段预形核处理，随后连续升温至高温区进行最终稳定化时效处理。针对7000系铝合金双级过时效（T73、T74、T76、T79）热处理技术的缺陷和不足，本发明采用先低温后高温的两阶段预时效工艺方案，同时采用与之相匹配的高温区时效处理等与传统T7x双级过时效完全不同的技术方案，可以实现晶内析出相和晶界析出相的协同。与传统T73、T74、T76、T79等双级过时效制度相比，该发明可使7000系铝合金在保持强度水平相当前提下，耐腐蚀、断裂韧性等有明显提高，且时效处理的保温总时间有所减少，提高了生产效率。

Description

一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺

技术领域

本发明所涉及的技术领域的铝合金的热处理方法，特别是由国际铝业协会和中国有色金属标准化技术委员会所注册的7000系（Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金的热处理方法；更具体地，本发明涉及一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺方法。

背景技术

7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金是典型的可热处理强化铝合金，时效工艺过程是使其获得高强度与其他综合性能匹配最为关键的工艺环节之一。为此，自上世纪50年代第一个实用化7xxx铝合金诞生以来，材料工作者一直致力于开发出能改善组织性能的时效新工艺。上世纪60年代以前，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金常采用的时效制度为峰值时效（T6），目的是获得最高强度。但此状态主要强化相是GP区和少量的η′，晶界为链状连续的析出物，这对合金的抗应力腐蚀性能非常不利，极易给应力腐蚀裂纹的发展提供腐蚀通道，使应力腐蚀裂纹更易于扩展，该工艺虽可获得极高的静强度，但降低了合金的抗应力腐蚀性能。为解决此问题，材料工作者开发了T7x双级过时效制度，根据过时效程度由重到轻排序，包含有T73,T74,T76和T79制度，即T79态强度最高、T73态强度最低。双级时效中，第一级时效一般在相对较低的温度区间（100～125℃）内某一确定温度点进行恒温处理，为析出成核阶段；第二级时效是高温时效，即相对较低的温度区间（150～175℃）内某一确定温度点进行恒温处理，为稳定化阶段。低温预时效对随后高温时效产生的沉淀相的尺寸、分布和密度有强烈的影响。双级过时效制度使晶界上的η′相和η相质点聚集，破坏了晶界析出相的连续性，使组织得到改善，减小了应力腐蚀和剥落腐蚀敏感性，也提高了合金的断裂韧性。与此同时，由于晶粒内的强化相质点发生粗化，因此在提高抗应力腐蚀能力的同时却以牺牲10～15%的强度为代价。这些双级时效制度已被广泛用于飞机机身框架、船壁、机翼蒙皮、加强筋、起落架支撑部件、铆钉等构件的热处理中，但它们不可避免地都损失了一定的静强度性能。

为解决该系合金的强度和抗应力抗腐蚀性能之间的矛盾，1974年以色列飞机公司的Cina等人提出了一种三级时效工艺——回归再时效处理工艺(RRA)，使回归现象在Al-Zn-Mg-Cu系合金中有了突破性应用。RRA处理包括三级：第一级在较低温度下进行T6峰值预时效，显微组织和性能与峰值时效状态相同；第二级在较高温度下(200℃～260℃)进行短时保温（几十秒到几分钟）后淬火，经回归处理后，晶内的共格或半共格析出相又溶解进固溶体内，晶界上连续链状析出相合并、集聚，不再连续分布，这种晶界组织改善了抗应力腐蚀和剥落腐蚀性能，而晶内GP区和η′的溶解大大降低了合金的强度；第三级在较低温度下再时效，达到峰值强度，晶内析出细小的GP区和η′相，弥散分布，晶界仍为不连续的非共格析出相。RRA处理后，晶内与T6态的组织相似，晶界与T7状态相似，使合金获得高强度和良好的抗应力腐蚀性能的统一。但不幸的是，由于RRA工艺需要被处理件在高温下短时暴露，因而只能应用于较小结构件，但对于工作环境导致应力腐蚀更为严重的厚板及厚壁件却无能为力，这也成为RRA制度在工业化上获得应用的主要障碍。在RRA处理的基础上，材料工作者不断对RRA工艺开展深入的研究和改进，主要是围绕如何在保证合金综合性能的不显著降低前提下尽量拓宽第二级时效时间，以满足厚截面制品生产的需要。1989年美国的Alcoa公司以T77热处理状态为名注册了第一个可工业应用的RRA处理规范，并将这种工艺用于7150板材和挤压件的处理，使之既保持了T6状态的强度又达到了T76状态的抗应力腐蚀性能。

然而，由于T77时效包含三级时效处理，工艺流程较长，且第二级高温回归处理后要求进行淬冷处理，这就导致T77时效需要采用比传统时效炉更为复杂、精度要求更高的专用时效炉，且三级时效需要进行在不同时效炉上分别进行，这给工业条件下操作带来了较大的操作难度，生产效率较低。因此，在对材料综合性能平衡要求不是极端严苛的应用场合下，T7x双级过时效仍是当前高强高韧7000系铝合金各种产品生产过程中最主流的热处理工艺。

发明内容

针对7000系铝合金双级过时效（T73、T74、T76、T79）热处理技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺。本发明采用先低温后高温的两阶段预时效工艺方案，同时采用与之相匹配的第二级高温稳定化时效处理等与传统T7x双级过时效完全不同的新型技术方案，可以实现有利于改善合金综合性能平衡的晶内与晶界析出相协同调控，获得相对理想的综合性能匹配。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的技术方案为：

一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，所述方法主要包含以下工艺步骤：

(1)低温区预时效：将7000系铝合金的坯料或制品进行低温区预时效，该低温区预时效包括两段时效保温过程，即先将7000系铝合金的坯料或制品由室温升温至T₁，在T₁温度下保温t₁，随后连续升温至T₂温度保温t₂，所涉及参数范围：80℃≤T₁≤100℃，1h≤t₁≤8h；110℃≤T₂≤130℃，4h≤t₂≤12h，T₁+20℃≤T₂；

(2)高温区时效：再将7000系铝合金的坯料或制品由T₂温度点连续升温至T₃温度点保温t₃，所涉及参数范围：150℃≤T₃≤175℃，4h≤t₃≤24h；

（3）7000系铝合金的坯料或制品经低温区预时效和高温区时效后，在空气条件下，空冷到室温。

本发明人通过大量研究和工业实践发现，通过采用两阶段阶梯式预时效调控预形核过程合金晶内与晶界的协同析出，即在传统双级过时效中的第一级时效工艺之中采用先低温后高温的阶梯式预形核处理方案，同时选用与之相匹配的第二级高温稳定化时效参数，获得了能有效协同晶界和晶内析出相的改进型双级过时效处理工艺方法。采用该技术方案可有效改进传统T7x双级过时效处理的材料强度与耐蚀性能、断裂韧性无法兼顾的技术缺陷，获得相对较好的综合性能匹配，在强度水平基本相当的前提下，本发明可获得更好的耐腐蚀性能和断裂韧性，且工艺流程更短，生产效率更高。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，其中在低温区预时效中，T₁与7000系铝合金的主合金元素Zn、Mg、Cu含量的关系满足：90℃-(Zn/Mg)-Cu≤T₁≤90℃+(Zn/Mg)+Cu；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，(Zn/Mg)±Cu数值的单位为℃。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，其中所述升温的方式是采用对流混合加热方式和红外辐射方式中的一种或两种组合方式，实现7000系铝合金的坯料或制品由室温到T₁、T₂和T₃各温度点的连续升温。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，其升温的方式为红外辐射方式与对流混合加热方式的组合方式，其加热速度V_加热≥20℃/min。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，对流混合加热方式是采用空气炉、盐浴炉、感应炉中的一种或几种进行加热。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，所述7xxx系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co等微量元素中的至少一种元素。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，所述7xxx系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co等微量元素中的至少一种元素。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，所述7000系铝合金为国际铝业协会（AA）注册的AA7075、AA7050、AA7150、AA7055、AA7449、AA7036、AA7136、AA7010、AA7140、AA7037、AA7081、AA7085、AA7185、AA7285、AA7155、AA7056、AA7095、AA7093。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，所述7000系铝合金为中国有色金属及合金牌号注册的7A04、7A09、7B04、7A60、7B09、7B50、7A55、7A85、7B85、7A93合金。

在本发明的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺中，所述铝合金坯料或制品的横截面最小厚度为10～360mm，且所述铝合金的制品包含铸造产品、挤压产品、压延产品、锻造产品或机加工构件产品。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用该技术方案可有效改进传统T7x双级过时效处理的材料强度与耐蚀性能、断裂韧性无法兼顾的技术缺陷，获得相对较好的综合性能匹配，在强度水平基本相当的前提下，本发明可获得更好的耐腐蚀性能和断裂韧性，且工艺流程更短，生产效率更高。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2几种传统热处理工艺之间的关系示意图。

具体实施方式

本发明的工艺流程示意图如图1所示，将7000系铝合金的坯料或制品进行低温区预时效，该低温区预时效包括两段时效保温过程，即先将7000系铝合金的坯料或制品由室温升温至T₁，在T₁温度下保温t₁，随后连续升温至T₂温度保温t₂，所涉及参数范围：80℃≤T₁≤100℃，1h≤t₁≤8h；110℃≤T₂≤130℃，4h≤t₂≤12h，T₁+20℃≤T₂，其中，经过时间t₁、由T₁到T₂的升温时间和时间t₂后，对7000系铝合金的坯料或制品进行预形核处理。再将7000系铝合金的坯料或制品进行高温区时效，将7000系铝合金的坯料或制品由T₂温度点连续升温至T₃温度点保温t₃，所涉及参数范围：150℃≤T₃≤175℃，4h≤t₃≤24h；经过时间t₃后，对7000系铝合金的坯料或制品进行稳定化处理。最后，7000系铝合金的坯料或制品经空冷到室温。

传统T73、T74、T76、T77、T79、T6热处理工艺之间的关系示意图如图2所示。在图2中，

实施例1

配置Al-6.5Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金，经熔炼、半连续铸造、均匀化退火、轧制、固溶淬火、预拉伸等工艺环节获得厚度为40mm的固溶淬火态（T351态）板材，在板材上切取块体试样，用于开展不同方案的时效处理试验，时效工艺方案及其如表1所示。依照相关的测试标准，对经不同时效处理试样的拉伸力学性能、电导率、断裂韧性、剥落腐蚀性能进行测试，结果如表2所示。

一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，所述方法主要包含以下工艺步骤如图1所示，其主要参数范围：(1)低温区预时效包括两段时效保温过程，即先在T₁温度下保温t₁，随后连续升温至T₂温度保温t₂，所涉及参数范围：80℃≤T₁≤100℃，2h≤t₁≤8h；110℃≤T₂≤130℃，4h≤t₂≤12h，T₁+20℃≤T₂；(2)高温区时效：由T₂温度点连续升温至T₃温度点保温t₃，所涉及参数范围：150℃≤T₃≤175℃，4h≤t₃≤24h。

本发明的第一个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其中T1、T2与主合金元素Zn、Mg、Cu含量（以重量百分比计）的关系满足：90℃-(Zn/Mg)-Cu≤T₁≤90℃+(Zn/Mg)+Cu。

本发明的第二个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其中所述升温方式空气炉、盐浴炉、感应炉、红外加热及其组合方式实现变形铝合金坯料或制品室温、T₁、T₂、T₃温度点的连续升温。

在一个优选方案：所述加热方法，其加热方式为红外辐射与对流混合加热方式，其加热速度V_加热≥20℃/min。加热速度V_加热优选为20℃/min～50℃/min。

本发明的第三个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7xxx系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co等微量元素中的至少一种元素。

本发明的第四个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金为国际铝业协会（AA）注册的AA7075、AA7050、AA7150、AA7055、AA7449、AA7036、AA7136、AA7010、AA7140、AA7037、AA7081、AA7085、AA7185、AA7285、AA7155、AA7056、AA7095、AA7093等。

本发明的第五个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金为中国有色金属及合金牌号注册的7A04、7B04、7B09、7B50、7A55、7A85、7B85、7A93合金等。

本发明的第六个优选方案为：所述的一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述铝合金坯料或制品的横截面最小厚度为10～360mm，且所述铝合金产品包含铸造产品、挤压产品、压延产品、锻造产品或机加工构件产品。

表1

表2

实施例2

配置Al-6.2Zn-2.8Mg-1.6Cu-0.16Cr-0.31Mn合金，经熔炼、半连续铸造、均匀化退火、轧制、固溶淬火、预拉伸等工艺环节获得厚度为40mm固溶淬火态（T351态）厚板，用于开展不同方案的时效处理试验，时效工艺方案及其如表3所示。依照相关的测试标准，对经不同时效处理试样的拉伸力学性能、电导率、抗应力腐蚀性能、剥落腐蚀性能、断裂韧性进行测试，结果如表4所示。

表3

表4

从实施例1、2中的性能测试结果（表2、表4）可以看出，无论是Al-6.5Zn-2.3Mg-2.1Cu-0.12Zr合金T351板材还是Al-6.2Zn-2.8Mg-1.6Cu-0.16Cr-0.31Mn合金T351板材，采用本发明技术方案进行时效处理后，在强度水平与传统双级T7X过时效制度基本相当时，合金的其他关键性能（电导率、剥落腐蚀、断裂韧性）等有较大程度改善；在其他综合性能基本相当的前提下，采用本发明技术方案处理后，合金的强度水平有较大提高。此外，本发明技术方案的处理时长有所缩短，减少了热处理炉的占用时间和能量消耗，提高了生产效率。

Claims (10)

1.一种改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，所述方法主要包含以下工艺步骤：

(1)低温区预时效：将7000系铝合金的坯料或制品进行低温区预时效，该低温区预时效包括两段时效保温过程，即先将7000系铝合金的坯料或制品由室温升温至T₁，在T₁温度下保温t₁，随后连续升温至T₂温度保温t₂，所涉及参数范围：80℃≤T₁≤100℃，1h≤t₁≤8h；110℃≤T₂≤130℃，4h≤t₂≤12h，T₁+20℃≤T₂；

(2)高温区时效：再将7000系铝合金的坯料或制品由T₂温度点连续升温至T₃温度点保温t₃，所涉及参数范围：150℃≤T₃≤175℃，4h≤t₃≤24h；

（3）7000系铝合金的坯料或制品经低温区预时效和高温区时效后，在空气条件下，空冷到室温。

2.根据权利要求1所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其中在低温区预时效中，T₁与7000系铝合金的主合金元素Zn、Mg、Cu含量的关系满足：90℃-(Zn/Mg)-Cu≤T₁≤90℃+(Zn/Mg)+Cu；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，(Zn/Mg)±Cu数值的单位为℃。

3.根据权利要求1所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其中所述升温的方式是采用对流混合加热方式和红外辐射方式中的一种或两种组合方式，实现7000系铝合金的坯料或制品由室温到T₁、T₂和T₃各温度点的连续升温。

4.根据权利要求3所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其升温的方式为红外辐射方式与对流混合加热方式的组合方式，其加热速度V_加热≥20℃/min。

5.根据权利要求3或4所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，对流混合加热方式是采用空气炉、盐浴炉、感应炉中的一种或几种进行加热。

6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co等微量元素中的至少一种元素。

7.根据权利要求5所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co等微量元素中的至少一种元素。

8.根据权利要求6所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金为国际铝业协会注册的AA7075、AA7050、AA7150、AA7055、AA7449、AA7036、AA7136、AA7010、AA7140、AA7037、AA7081、AA7085、AA7185、AA7285、AA7155、AA7056、AA7095、AA7093。

9.根据权利要求6所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述7000系铝合金为中国有色金属及合金牌号注册的7A04、7A09、7B04、7A60、7B09、7B50、7A55、7A85、7B85、7A93合金。

10.根据权利要求1～4中的任意一项所述的改进的7000系铝合金双级过时效热处理工艺，其特征在于：所述铝合金坯料或制品的横截面最小厚度为10～360mm，且所述铝合金的制品包含铸造产品、挤压产品、压延产品、锻造产品或机加工构件产品。

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