CN105200359B - 降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及7000系铝合金，具体是一种降低喷射成形7055铝合金产品应力的热处理方法，其依次包括双级固溶和人工时效的步骤，其特征在于：在人工时效的步骤完成后粗加工前或在粗加工后精加工前，进行高温去应力时效，即在125‑155℃下保温8‑32小时。该工艺是一种维持喷射成形7000系铝合金产品较高强度水平并能够高效降低的残余应力，同时提高产品综合性能的热处理方法，解决了产品在后续加工过程中的开裂问题，并减小产品的加工变形、提高加工效率、提高尺寸精度。

Description

降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法

技术领域

本发明涉及7000系铝合金，具体是一种降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法。

背景技术

以Zn、Mg、Cu为最主要强化合金元素的7000系（Al-Zn-Mg-Cu）铝合金具有密度小、强度高、塑性好等优点，是当前广泛应用于航空航天等高端领域的高强高韧铝合金；采用喷射成形工艺生产的7000系铝合金，具有晶粒细小、组织均匀致密、无宏观偏析等优点。

7000系铝合金属于可热处理强化铝合金，通过各种热处理制度其强度可大幅提高，如喷射成形7055-T6态抗拉强度可达720MPa，较O态下220MPa提高了227%，但与此同时，热处理后材料的残余应力大幅提高，不适宜在应力腐蚀、交变载荷等复杂工况条件下使用；为降低残余应力，提高韧性、抗应力腐蚀等综合性能，许多热处理制度如T76、T74、T73、T77、T79被相继开发出来，在这些热处理制度中，T76、T74、T73均为二级时效且第二级时效的时效时间逐步延长，随着时效时间的延长，铝合金产品的残余应力逐渐降低，抗应力腐蚀能力、断裂韧性、断面收缩率、电导率等指标逐步提高，但与此同时强度也在逐渐降低。

一般对同一种合金而言，高强度-低应力是相互矛盾的，提高强度的同时合金的内应力也大幅提高，这给后续的机加工带来很多不便，在高强铝合金在淬火热处理和机加工过程中，其内部不可避免的引入残余应力，高水平的残余应力降低了7000系铝合金的实用性，主要体现在：

① 高残余应力铝合金构件在后续机加工过程中变形严重甚至开裂报废。

②为避免加工过程中残余应力引发构件开裂，高残余应力构件的机加工工艺被严格限制：如加工方式不能使用线切割、机加工刀具选择和进刀量控制的要求较普通铝合金构件更为苛刻，而且在机加工过程中往往伴随着多道次的低温时效去应力或校形等工艺，这些因素都降低了构件的生产效率，提高了其生产成本。

③高残余应力降低了构件的综合性能，研究表明，高残余应力使得构件的裂纹敏感性提高，抗应力腐蚀能力和疲劳性能降低。

传统残余应力的消减技术主要集中在以下几个方面：机械拉伸/压缩法、低温时效法、震动时效法；在这些方法中，机械拉伸/压缩法对设备要求高且变形量难控制，低温时效法效率低效果差，震动时效法相关工艺还不够成熟机理研究不够充分，目前在铝合金残余应力的消减工艺中还没有一种工艺同时具备高效、实用、易推广的特点。

对于7000系铝合金，如果采用二级时效，即T76/T74/T73，其第一级时效的温度为120℃，第二级时效的温度为160℃；如果在T6峰时效后继续人工时效，随着人工时效的时间延长或温度上升，合金的应力水平逐渐降低，但传统低温时效（低于120℃）效率低效果差，达到或超过一级时效温度（120℃）则会导致力学性能迅速下降；对于喷射成形7000系铝合金，在第一级时效（120℃）与第二级时效（160℃）之间存在一定的温度区间，可以在该区间长时间保温并维持材料力学性能，而采用半连续铸造生产的7000系铝合金在该温度区间保温强度则会大幅度降低；针对该特点，开发出一套高温时效去应力工艺方案，代替传统工艺，可大幅提高工作效率和去应力效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在维持较高强度的基础上提供一种能够高效降低喷射成形7000系铝合金产品的残余应力，同时提高产品的综合性能的热处理方法，降低产品在后续加工过程中的开裂风险，并减小产品的加工变形提高尺寸精度。

降低喷射成形7055铝合金产品应力的热处理方法，依次包括双级固溶和人工时效的步骤，其特征在于：在人工时效的步骤完成后粗加工前或/和在粗加工后精加工前，进行高温去应力时效，即在125-155℃下保温8-24小时。

其中，人工时效后粗加工前进行去应力时效，可降低产品的淬火残余应力；粗加工后精加工前进行去应力时效，可降低机加残余应力；在实际生产中，可根据加工难度来安排一次或多次去应力退火。

进一步地，所述双级固溶的步骤为：将产品随炉由室温升至445-455℃，保温0.5-4小时，0.5小时升至465-480℃，保温0.5-4小时，40-50℃水温淬火。

进一步地，所述人工时效的步骤为单级峰时效或为多级时效。

进一步地，双级固溶步骤和人工时效的步骤之间间隔的时间不大于4小时。

本发明具有以下有益效果：

1）固溶

采用高低温结合的二级固溶方式，二级固溶又称强化固溶，即先在某一温度恒温保温一段时间，然后以一定的升温速率加热到一个更高的温度并保温一段时间，随后快速冷却。相关研究表明，在随后的时效制度一样的情况下，强化固溶更具优点，能够不通过提高合金化元素总含量来提高固溶体的过饱和度，从而减少了粗大未溶的结晶相，对于提高时效析出程度和改善抗拉性能具有积极意义，是提高铝合金综合性能的有效途径。

2）人工时效

采用单级峰时效处理，峰时效处理可将铝基体中固溶的合金元素有效析出，达到最佳的强化效果；采用多级时效处理，合金内的析出相更为复杂，合金强度虽然会有所降低（不同的时效制度会降低5%-20%），但合金的综合性能会得到一定改善。

3）高温去应力时效

温度125-155℃，高于120℃的单级峰时效温度而低于160℃，当7000系铝合金需要进行T76/T74/T73时效热处理时，一般会选择160℃作为二级时效温度，在该温度下保温，随着时效时间的延长，合金的强度逐渐降低；而在125-155℃间选择合适的温度保温，可维持铝合金产品保持人工时效态的强度水平，同时大幅度降低产品内部残余应力，并提高抗应力腐蚀能力、断裂韧性、断面收缩率、电导率等指标。

经实际产品测试，通过对人工时效后的产品进行高温去应力时效处理的结合，喷射成形7000系铝合金产品的综合性能得到了有效提高，并有效解决了产品在机加工过程中变形及开裂的问题。

具体实施方式

实施例1

将7055铝合金喷射成形锭坯经车皮后挤压（挤压比14.8）成Φ130mm棒材，将该棒材加工成某产品毛坯，毛坯壁厚约12mm，对毛坯进行T6热处理，热处理步骤依次为：

a）二级固溶处理，室温2小时升至450℃，450℃保温3小时，0.5小时升至477℃，477℃保温3小时，50℃水温淬火。

b）单级峰时效处理，室温1小时升至120℃，120℃保温24小时。

c）高温去应力时效，在140℃下保温10小时。

在上述实施例中，对比未经高温去应力时效的产品毛坯，经高温去应力时效后，在后续机加工过程中开裂倾向显著降低，变形量降低，强度实测性能基本保持同一水平，而电导率和断面收缩率得到了一定提升，达到了维持强度水平、降低残余应力、提升综合性能的目的，其实测性能对比见表1。

表1 高温去应力时效前后性能对比

实施例2

将7085铝合金喷射成形锭坯经车皮、挤压成规格为δ100mm×200mm的板材，下料长度为250mm，对该板材进行T76热处理，步骤依次为：

a）二级固溶处理，室温2小时升至450℃，450℃保温3小时，0.5小时升至477℃，477℃保温3小时，50℃水温淬火。

b）双级人工时效处理，室温1小时升至120℃，120℃保温8小时，随后1小时升至160℃保温12小时。

热处理完成后，对其进行机加工处理，产品壁厚约为15mm，然后进行一次高温去应力时效，其步骤为：

c）高温去应力时效，在140℃下保温24小时；

随后再进行多道次的精加工，最终产品的壁厚为8mm。

在上述实施例中，该产品的工艺路线为“板材→T76热处理→粗加工→去应力热处理→精加工”，去应力处理没有安排在T76热处理后，而是安排在粗加工完成之后，这是因为T76态产品淬火残余应力已经得到一定程度的消减，可以直接粗加工，而且该产品是一个类U形的接头，在粗加工后挤压板的大部分被去除，热处理形成的淬火残余应力大部分得以释放，工件上分布的主要是机加工残余应力，由于该工件尺寸精度要求高，在此时做一次去应力时效，可有效降低后续精加工过程中形变量，使工件尺寸达到较高的精度水平。

实施例3

将7055铝合金喷射成形锭坯经车皮、反挤压、锻造、机加工，成型为外径280mm壁厚20mm高度750mm并带有7个矩形孔的航天用某复杂结构舱段件毛坯，其中最大的矩形孔180×150，最小的矩形孔90×65，然后进行T6热处理和高温去应力时效处理，热处理步骤依次为：

a）二级固溶处理，室温2小时升至450℃，450℃保温3小时，0.5小时升至477℃，477℃保温3小时，50℃水温淬火。

b）单级峰时效处理，室温1小时升至120℃，120℃保温24小时。

c）高温去应力时效，在140℃下保温24小时。

热处理完成后，对该毛坯件进行一次粗加工至壁厚约12mm，然后再进行一次去应力时效热处理，其步骤为：

d）在140℃下保温10小时。

随后再进行两道次的精加工，最终产品的壁厚为6.7mm。

在上述实施例中，由于该舱段件对尺寸精度要求高，所以分别在T6人工时效后和粗加工后分别安排了一次去应力时效工艺；第一次去应力时效是为了降低淬火残余应力，降低后续粗加工过程中的开裂风险，同时由于淬火残余应力降低，工件对进刀量敏感度降低，可减少后续精加工道次，提高工作效率；第二次去应力时效是为了降低粗加工引入的机加工残余应力，减小后续精加工过程中的变形，对比另外一件未经二次去应力时效的相同工件，经二次去应力时效后，外径的圆度达0.08mm，而未经二次去应力时效的工件圆度只有0.2mm；对随炉样进行力学性能测试，结果符合标准对7055-T6态锻件的要求，这两次去应力时效达到了维持强度水平，降低残余应力，提高加工效率，提高尺寸精度的目的。

Claims (5)

1.降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法，依次包括双级固溶和人工时效的步骤，其特征在于：在人工时效的步骤完成后粗加工前，或在人工时效的步骤完成后粗加工前和在粗加工后精加工前，进行高温去应力时效，即在125-155℃下保温8-24小时。

2.如权利要求1所述的降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法，其特征在于：人工时效后粗加工前进行去应力时效，能够降低产品的淬火残余应力；粗加工后精加工前进行去应力时效，能够降低机加残余应力；在实际生产中，根据加工难度来安排一次或多次去应力退火。

3.如权利要求1所述的降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法，其特征在于：所述双级固溶的步骤为：将产品随炉由室温升至445-455℃，保温0.5-4小时，0.5小时升至465-480℃，保温0.5-4小时，40-50℃水温淬火。

4.如权利要求1所述的降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法，其特征在于：所述人工时效的为单级峰时效或多级时效。

5.如权利要求1所述的降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法，其特征在于：双级固溶步骤和人工时效的步骤之间间隔的时间不大于4小时。