CN109457152B - 一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种Al‑Zn‑Mg‑Cu高强铝合金的热处理方法，它涉及一种铝合金的热处理方法。本发明为保证高强铝合金的高强、高耐蚀特性，同时简化时效(T77)工艺，提出了非等温回归再时效的新型热处理方法，本发明的热处理方法包括：一、非等温回归：通过非等温升温，促进弥散相的预析出，同时在高温阶段熔断低温阶段形成的晶界连续析出相；二、快速冷却：非等温过程结束之后，通过一定冷却速度缩短合金高温阶段时间，减小析出相粗化，同时促进晶界连续析出相熔断；三、再时效：降温后高强铝合金转入低温炉进行低温时效，促进合金中高温阶段回熔的细小析出相的再次析出。本发明简化了热处理工序，缩短了热处理时间，降低了能耗。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金的热处理方法，具体涉及一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金以其高强、高韧和高耐蚀等特性广泛应用于航空航天领域。当今航空航天领域要求飞机具有更高的性能，不断追求轻重量、高强度的目标。整体结构件能够大幅降低零件数量，缩短研发工作量和研制周期，减少装配工作量，提高结构强度，延长飞机使用寿命。因此，航空工业中大量结构件都采用了整体结构件，尤其是厚大尺寸结构件。
Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金为典型的热处理强化型铝合金，时效工艺是其获得最佳综合性能匹配关键工艺之一。典型的T6热处理工艺通过在合金晶粒内部析出大量的弥散析出的细小析出相，获得最高的强度。但是在晶界处形成的连续的晶界析出相，造成了连续腐蚀通道，使得合金抗应力腐蚀性能大大降低。
为了改善Al-Zn-Mg-Cu合金的耐腐蚀性能的问题，目前时效工艺主要有双级时效和回归再时效。双级时效通过第二级高温过时效熔断在低温预时效阶段形成的晶界连续析出相。但是较长的高温保温时间使得析出相显著粗化，从而导致合金强度的明显下降。回归再时效工艺先通过高温短时保温熔断预时效阶段形成晶界连续析出相，同时控制析出相的明显粗化。最后，再通过峰时效工艺将高温阶段回熔的细小析出相再次重新析出。最终获得高强与高耐蚀的良好配合。然而，由于厚大工件升温较慢，此工艺的高温短时保温难以在厚大尺寸的工件上实现，限制了其在此类工件的应用。
发明内容
本发明正是针对当前的高强Al-Zn-Mg-Cu合金的时效工艺难以适用于厚大工件这一问题而提供了一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法，其目的是通过一次性慢速恒速升温同时实现传统的回归再时效工艺中预时效和高温回归两道工序效果，同时避免厚大尺寸工件的温度差异，在保持合金最终强度和耐腐蚀性能保持不变或者略微下降的情况下。另外，简化了热处理工序，缩短了热处理时间，降低了能耗。
本发明一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法是按以下步骤完成的：
一、Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金经过固溶处理后，再恒速升温至T1；
二、采用水冷方式将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金从T1冷却至T3；
三、将冷却至T3的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金转移至时效炉中，在T2下进行低温时效，再空冷至室温。
本发明步骤一中采用恒速升温(升温速度区间为30℃/h～40℃/h)，使得Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金在长时间升温过程中达到预时效和晶界连续析出相的熔断的效果。
本发明步骤二中通过水冷方式控制Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的冷却速度，将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金冷却至40℃～80℃，进而调节Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金在高温阶段的保留时间，尽可能降低Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的高温停留时间，缩小Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金在高温的停留时间，抑制析出相的粗化同时，也为晶界连续析出相熔断提供相应时间保证，同时又能保证晶界连续析出相能够得到较好的熔断效果，从而保证合金良好的抗应力腐蚀性能。
本发明步骤三是在非等温处理之后将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金在120℃下进行低温时效4h～30h，通过再时效工艺促进高温阶段回熔的细小析出相再次析出，从而再次获得强化效果，保证Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的高强特性。
进一步地，所述Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的化学成分及质量百分比组成为：Zn：7.6％～8.4％，Mg：1.8％～2.3％，Cu：2.0％～2.6％，余量为Al。
进一步地，步骤一中所述固溶处理的温度为440℃～485℃，在440℃～485℃下的保温时间为1h～5h，出炉后水淬至20℃，淬火转移时间少于15s。
进一步地，步骤一中所述的恒速升温的升温速度为30℃/h～40℃/h。
进一步地，步骤一中所述的T1为140℃～210℃。
进一步地，步骤一中所述的T1为150℃～160℃。
进一步地，步骤一中所述的T1为170℃～180℃。
进一步地，步骤一中所述的T1为190℃～200℃。
进一步地，步骤二中所述的T3为40℃～80℃。
进一步地，步骤三中所述的T2为120℃，等温时效的时间t1为4h～30h。
本发明的有益效果：
本发明中通过调节非等温回归过程中的加热速率、冷却速率共同实现Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的高温阶段保留时间，在熔断晶界连续析出相的同时控制析出相的粗化行为；本发明能够在较宽的厚度范围内实现具有不同厚度Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金工件在高强状态下获得良好的抗应力腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法的工艺过程图；
图2为经过实施例一热处理工艺后得到的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀测试结果图；
图3为经过双级时效(T74)热处理工艺后获得的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀测试结果图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法是按以下步骤完成的：
一、Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金经过固溶处理后，再恒速升温至T1；
二、采用水冷方式将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金从T1冷却至T3；
三、将冷却至T3的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金转移至时效炉中，在T2下进行等温时效，再空冷至室温。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的化学成分及质量百分比组成为：Zn：7.6％～8.4％，Mg：1.8％～2.3％，Cu：2.0％～2.6％，余量为Al。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述固溶处理的温度为440℃～485℃，在440℃～485℃下的保温时间为1h～5h，出炉后水淬至20℃，淬火转移时间少于15s。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的恒速升温的升温速度为30℃/h。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述的恒速升温的升温速度为40℃/h。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的T1为140℃～210℃。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一中所述的T1为150℃。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤一中所述的T1为160℃。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤一中所述的T1为170℃。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一中所述的T1为180℃。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点是步骤一中所述的T1为190℃。其它步骤与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同点是：步骤一中所述的T1为200℃。其它步骤与具体实施方式一至十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同点是：步骤二中所述的T3为40℃～80℃。其它步骤与具体实施方式一至十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同点是：步骤二中所述的T3为40℃～80℃。其它步骤与具体实施方式一至十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同点是：步骤二中所述的T3为60℃。其它步骤与具体实施方式一至十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同点是：步骤三中所述的T2为120℃，等温时效的时间t1为4h～30h。其它步骤与具体实施方式一至十五四相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同点是：步骤三中所述的T2为120℃，等温时效的时间t1为4h～30h。其它步骤与具体实施方式一至十六四相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同点是：步骤三中所述的T2为120℃，等温时效的时间t1为4h～20h。其它步骤与具体实施方式一至十七四相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同点是：步骤三中所述的T2为120℃，等温时效的时间t1为20h～30h。其它步骤与具体实施方式一至十八四相同。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例一：Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的化学成分及质量百分比组成为：Zn：8.1％，Mg：2.0％，Cu：2.1％，余量为Al，其热处理方法包括以下步骤：
将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金在温度为485℃下保温2h，出炉后水淬至20℃，淬火转移时间少于10s，完成固溶处理；将经过固溶处理后的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金以30℃/h的升温速率升温至190℃，再使用60℃水将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金冷却至水温，最后将冷却至水温的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金转移至时效炉中，在120℃下保温20h，再空冷至室温，完成热处理。
经过实施例一热处理工艺后得到的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金(Zn：8.1％，Mg：2.0％，Cu：2.1％，余量为Al)在室温下进行测试，其抗拉强度为740MPa，屈服强度为726MPa，延伸率为11.2％；经过实施例一热处理工艺后获得的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的力学性能比经过双级时效(T74)热处理工艺后获得的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金(Zn：8.1％，Mg：2.0％，Cu：2.1％，余量为Al)的力学性能(抗拉强度为651MPa，屈服强度633MPa，延伸率12.1％)相比具有明显的提高，两种工艺获得的晶间腐蚀测试结果如图2和图3所示。
图2为经过实施例一热处理工艺后得到的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀测试结果图；
图3为经过双级时效(T74)热处理工艺后获得的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀测试结果图。
从图2和图3可知，经过实施例一热处理工艺后得到的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀最大深度为78.6μm，而经过双级时效(T74)热处理工艺后获得的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的晶间腐蚀最大深度为84.3μm。
使用本发明的热处理方法处理后的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的抗晶间腐蚀性能与T74工艺相比还略有提高。

Claims (4)

1.一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法，其特征在于一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法是按以下步骤完成的：
一、Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金经过固溶处理后，再以30℃/h～40℃/h的升温速度恒速升温至T1；
所述固溶处理的温度为440℃～485℃，在440℃～485℃下的保温时间为1h～5h，出炉后水淬至20℃，淬火转移时间少于15s；
二、采用水冷方式将Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金从T1冷却至T3；
三、将冷却至T3的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金转移至时效炉中，在T2下进行等温时效，等温时效的时间t1为4h～30h，再空冷至室温；
其中，T1为140℃～210℃，T2为120℃，T3为40℃～80℃；
所述Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的化学成分及质量百分比组成为：Zn：7.6％～8.4％，Mg：1.8％～2.3％，Cu：2.0％～2.6％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法，其特征在于步骤一中所述的T1为150℃～160℃。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法，其特征在于步骤一中所述的T1为170℃～180℃。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的热处理方法，其特征在于步骤一中所述的T1为190℃～200℃。
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