CN103436826A - 一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法 - Google Patents

一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法 Download PDF

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张新明
冯迪
邓运来
郑玉林
黎小荣
李红萍
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Abstract

本发明公开了一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，第一级时效制度为100℃-110℃保温20h-24h，然后以1-5℃/min的加热速率升温至170-220℃保温30-180min进行第二级时效，二级时效后进行淬火处理，再时效制度为120℃保温24h峰时效。本发明利用晶界优先析出机制，首先通过欠时效的预时效处理，在保证晶界仍析出η相的前提下，使晶内析出具有一定比例的细小弥散GP区以及η′相，接着以一定升温速率升温至回归温度并保温，进行高温回归处理。本发明通过第一级预时效温度与第二级时效加热速率控制相结合的方法，提高了材料的力学和腐蚀性能，减小Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件常规三级时效处理导致的厚向微观组织不均匀性，适合厚截面Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金构件的热处理。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法
技术领域
本发明涉及一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法。
背景技术
CINA于1974年针对Al-Zn-Mg-Cu合金提出三级过时效(回归再时效)工艺，经三级过时效处理后，合金晶内、晶界组织分别与T6、T7态相似，使合金在保证较高强度的同时拥有良好的抗应力腐蚀性能。常规三级过时效处理要求较高的第二级时效温度和极短的时效时间，导致厚截面构件心部的预析出第二相回溶不充分，造成厚度方向析出组织的不均匀性，因此限制了铝合金厚截面构件的三级时效热处理性能，若降低第二级时效温度或者延长第二级时效时间，则又造成预析出相回溶效果不理想或者严重粗化的问题。
Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件是具有代表性的航空高性能铝合金制品，该类制品力学和腐蚀性能均匀性的突破对满足我国大飞机工程急需的超强高韧铝合金大尺寸厚截面构件起着关键作用。Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的性能均匀性的研究应综合考虑以下两个方面：(1)保证厚截面构件依然拥有较高的力学性能和抗腐蚀性能；(2)降低性能的各向异性，特别是减小厚向性能的不均匀性。
发明内容
针对现有的常规三级过时效热处理的缺陷和不足，本发明从预时效和第二级时效加热速率的优化匹配出发，利用晶界优先析出机制，首先通过欠时效的预时效处理，在保证晶界仍析出粗大η相的前提下，使晶内析出较T6峰时效态更为细小弥散的非平衡相，接着以慢速升温速率升温并至第二级温度保温，进行高温回归处理，达到控制晶内、晶界析出相尺寸以及其在厚截面构件高向的优化分布，保证厚截面铝合金制品的力学和腐蚀性能，并有效提高Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的高向性能均匀性。
本发明通过以下技术方案实现：一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效时效工艺，包括以下步骤：
步骤一：对待处理的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件进行固溶处理后按照低于峰值强化效果的欠时效进行第一级时效处理；
步骤二：将经第一级时效处理后的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件直接慢速加热至170-220℃后再保温30-180min进行第二级时效处理，第二级时效后进行淬火；
步骤三：将经第二步处理后的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件再按照峰时效进行第三级时效处理，然后随炉冷或者出炉空冷。
所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，所述步骤一中第一级时效处理为在60℃-110℃保温20-24h。
所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，所述步骤二中的慢速加热的速率为1-5℃/min。
所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，所述步骤二中第二级时效后的淬火处理为20℃-25℃的室温水淬火或直接炉冷至第三级时效处理的温度。
所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，所述第三级时效处理为在120℃保温24h。
发明人在研究中发现，第二级加热速率对后续热处理组织的影响强烈依赖于第一级时效析出组织。峰时效处理的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金预时效组织为η′相与一部分η平衡相，较低的第二级时效加热速率将导致预时效析出相的粗化，使第二相的回溶体积分数减小，第三级时效析出动力不足且晶内析出相粗大，严重降低Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的力学性能。为解决均匀性提高而性能下降之间的矛盾，本发明提出欠时效预处理与第二级慢速加热时效相结合的三级过时效制度。其原理是利用晶界优先析出机制，通过第一级欠时效处理在晶内形成细小弥散分布的η′相和GP区的优化组合，同时保证晶界析出粗大的η平衡相。第二级慢速加热中晶内相回溶分数增大且粗化有限，而晶界析出相的离散和粗化不受影响，从而保证Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件力学和腐蚀性能，并提高组织及性能的均匀性。
采用本发明的欠时效并慢速二级时效加热保温后再时效的三级过时效热处理制度，Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的电导率(%IACS)高于传统三级热处理，其力学性能与传统三级热处理相当。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
对比例与实施例均采用30mm厚固溶预拉伸态Al-8.02Zn-2.03Mg-2.11Cu-0.12Zr铝合金板材，固溶热处理工艺为470℃-480℃下单级保温或者双级保温1-2h，固溶后室温水淬火，淬火转移时间<10s。然后将对比例和实施例样品分别进行不同的时效处理，处理结束后对所有进行实施例和对比例样品进行电导率、硬度以及拉伸力学性能检测，性能测试结果见表1和表2。
对比例1：
试样采用单级(120℃/24)峰时效方式进行时效。时效结束后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。随后对峰时效样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
对比例2：
试样采用双级(120℃/6h+160℃/24h)过时效方式进行时效。时效结束后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。随后对双级时效样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例1：
对65℃/24h处理的一级时效样品，在1℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例2：
对65℃/24h处理的一级时效样品，在3℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例3：
对65℃/24h处理的一级时效样品，在5℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例4：
对65℃/24h处理的一级时效样品，在100℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例5：
对90℃/24h处理的一级时效样品，在1℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例6：
对90℃/24h处理的一级时效样品，在3℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例7：
对90℃/24h处理的一级时效样品，在5℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例8：
对90℃/24h处理的一级时效样品，在100℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用20℃-25℃室温水淬火，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例9：
对105℃/24h处理的一级时效样品，在1℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例10：
对105℃/24h处理的一级时效样品，在3℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例11：
对105℃/24h处理的一级时效样品，在5℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例12：
对105℃/24h处理的一级时效样品，在100℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例13：
对120℃/24h处理的一级时效样品，在1℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例14：
对120℃/24h处理的一级时效样品，在3℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实施例15：
对120℃/24h处理的一级时效样品，在5℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。
实施例16：
对120℃/24h处理的一级时效样品，在100℃/min的加热条件下，进行190℃/50min第二级时效处理，保温结束后采用炉冷至第三级时效温度，第三级时效工艺为：120℃/24h。三级时效后进行硬度和电导率测试，实验结果见表1所示。对样品进行室温拉伸性能测试，测试结果见表2。
实例 热处理方式 硬度(HV) 电导率(IACS,%)
对比例1 120℃/24 201.1 30.1
对比例2 120℃/6h+160℃/24h 170 39.6
实施例1 65℃/24h+(1℃/min)190℃/50min+120℃/24h 181.4 38.6
实施例2 65℃/24h+(3℃/min)190℃/50min+120℃/24h 183.5 38.5
实施例3 65℃/24h+(5℃/min)190℃/50min+120℃/24h 180.7 38.7
实施例4 65℃/24h+(100℃/min)190℃/50min+120℃/24h 187 37.8
实施例5 90℃/24h+(1℃/min)190℃/50min+120℃/24h 180.5 38.8
实施例6 90℃/24h+(3℃/min)190℃/50min+120℃/24h 185.7 38.2
实施例7 90℃/24h+(5℃/min)190℃/50min+120℃/24h 180.8 38.6
实施例8 90℃/24h+(100℃/min)190℃/50min+120℃/24h 187.8 37.6
实施例9 105℃/24h+(1℃/min)190℃/50min+120℃/24h 183.8 38.6
实施例10 105℃/24h+(3℃/min)190℃/50min+120℃/24h 189 38.2
实施例11 105℃/24h+(5℃/min)190℃/50min+120℃/24h 184.4 38.3
实施例12 105℃/24h+(100℃/min)190℃/50min+120℃/24h 190.7 37.6
实施例13 120℃/24h+(1℃/min)190℃/50min+120℃/24h 180 39
实施例14 120℃/24h+(3℃/min)190℃/50min+120℃/24h 185 38.5
实施例15 120℃/24h+(5℃/min)190℃/50min+120℃/24h 183.2 38.5
实施例16 120℃/24h+(100℃/min)190℃/50min+120℃/24h 194 37.4
表1不同热处理制度试样的电导率及硬度的比较
Figure BDA00003594491900091
表2T6峰时效态，T73双级时效态以及不同三级时效态样品的常温拉伸性能比较

Claims (5)

1.一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对待处理的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件进行固溶处理后按照低于峰值强化效果的欠时效进行第一级时效处理；
步骤二：将经第一级时效处理后的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件直接慢速加热至170-220℃后再保温30-180min进行第二级时效处理，第二级时效后进行淬火；
步骤三：将经第二步处理后的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件再按照峰时效进行第三级时效处理，然后随炉冷或者出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，其特征在于：所述步骤一中第一级时效处理为在60℃-110℃保温20-24h。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，其特征在于：所述步骤二中的慢速加热的速率为1-5℃/min。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，其特征在于：所述步骤二中第二级时效后的淬火处理为20℃-25℃的室温水淬火或直接炉冷至第三级时效处理的温度。
5.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金厚截面构件的三级时效方法，其特征在于：所述第三级时效处理为在120℃保温24h。
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