CN116065108B - 一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法 - Google Patents
一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，属于金属热处理技术领域。该方法包括：（1）第一级均匀化热处理：将合金铸锭从室温迅速升温到465~480℃，保温18~30h；（2）第二级均匀化热处理：将合金铸锭继续升温485~500℃，保温24~36h，然后淬火；（3）第三级均匀化热处理：将淬火后的合金铸锭迅速升温到360~390℃，保温12~18h；（4）将完成步骤（3）的合金铸锭空冷至室温。采用本发明的均匀化热处理方法，能够有效地实现AlZnMgCu相和富Cu相的良好回溶，同时析出的弥散相的尺寸及数量密度符合要求，能够解决高Cu含量、高合金化程度的条件下共晶相难回溶、弥散相尺寸粗大且数量少的问题，获得了理想的均热态组织，利于合金最终获得优异的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，属于金属热处理技术领域。
背景技术
7xxx系铝合金具有高强韧、较好的耐蚀性、易加工等性能，在航空航天、武器装备、交通运输等领域应用广泛。近年来，随着航空航天领域对结构减重的需求日益严苛，具有超高强度、高耐蚀性能的铝合金材料的开发愈发重要。目前7150、7055、7136铝合金挤压材的强度性能可达600MPa以上，部分状态下抗拉强度达到650MPa级，具有超高强的性能特点；此外，上述合金挤压材过时效态的耐应力腐蚀及剥落腐蚀性能较好，是典型的超高强耐蚀铝合金材料。部分材料目前已达到工业化应用水平，具有显著的成本优势，在诸多领域替代了昂贵的钛合金材料。
7xxx系合金铸锭通常采用半连续铸造工艺制备，铸态组织中一般存在较为明显的枝晶偏析，大量的粗大共晶组织以网状结构存在基体中的晶界处，导致合金的组织与成分不均匀。在后续变形加工过程中，在共晶结构与基体的交截面处容易发生应力集中，进而产生裂纹，严重影响合金的性能，均匀化热处理能够使铸态组织中可回溶的非平衡共晶回溶，消除枝晶偏析，使合金中元素分布均匀；此外，合金中的Zr、Cr、Sc等微量元素能够形成Al3X类型的弥散相，通常只有几十纳米的尺寸，与铝基体呈共格状态，能够在后续的热变形过程中起到钉扎晶界、抑制再结晶的作用，最终提高合金成品的性能。因此，通过均匀化热处理，消除铸态组织中的粗大共晶结构、析出弥散相非常有必要。其中，微量元素Zr等的含量与弥散相的数量直接相关，微量元素的含量增大，对应的均匀化处理后组织中的弥散相数量越多、分布越密集。然而，过多的微量元素也会导致合金在凝固过程中生成难溶的粗大含Zr、Sc等的相，在后续均匀化处理过程中无法回溶，不仅对弥散相的析出没有贡献，同时还恶化合金性能。
7xxx系铝合金的主合金元素为Zn、Mg和Cu，其中Zn和Mg元素形成η(MgZn2)强化相，可显著提高合金的强度；适当提高Zn、Mg元素的含量，时效处理后合金中析出相的数量增多，直接提高合金的强度性能。然而，过多的Zn、Mg元素含量会导致合金的延伸率、断裂韧性和抗应力腐蚀性能有所降低，对合金的综合性能不利。Cu元素在铝合金中的固溶度比较小，可显著增大基体中强化相的弥散程度，改善合金的微观组织，调控无沉淀析出带及晶界析出相的析出特征，使合金获得较好的抗腐蚀能力，Cu含量的提升对于改善合金的耐蚀性能有直接的益处。7xxx系铝合金的铸态组织中的凝固析出相主要包括MgZn2相、AlZnMgCu相、富Cu相、含Fe相等，其中MgZn2相的回溶温度约在250~300℃，AlZnMgCu相的回溶温度介于460~480℃，富Cu相的回溶温度介于485~515℃。在高Cu含量的7xxx系合金中，除AlZnMgCu相外，通常存在数量较多的Al2CuMg、Al2Cu等富Cu相，其在均匀化热处理过程中不易回溶。此外，合金中Cu含量及Cu/Mg比与富Cu相的数量及类型等直接相关。对于超高强耐蚀7xxx系合金而言，合金化程度整体更高，尤其是Cu元素含量高，富Cu相的数量较一般合金而言更多，进一步加大了回溶难度，势必需要更高的均匀化热处理温度、更长的保温时间来实现富Cu相的回溶。
此外，常规的双级、三级均匀化热处理时，一般首先在低温阶段析出弥散相，然后再在高温阶段回溶共晶相，对于当前的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系合金而言，由于富Cu相回溶处理阶段的温度过高、时间过长，导致弥散相长大粗化，不利于后续的变形处理。因此，需要针对性地提出更合适的处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，能够在高Cu含量、高合金化程度的条件下有效地实现AlZnMgCu相和富Cu相的良好回溶，同时析出尺寸细小、分布均匀密集的弥散相。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，所述方法包括：第一级均匀化热处理、第二级均匀化热处理、第三级均匀化热处理，具体包含以下工艺步骤：
（1）第一级均匀化热处理：将合金铸锭从室温迅速升温到465~480℃，保温18~30h；
（2）第二级均匀化热处理：将合金铸锭继续升温485~500℃，保温24~36h，然后淬火；
（3）第三级均匀化热处理：将淬火后的合金铸锭迅速升温到360~390℃，保温12~18h；
（4）将完成步骤（3）的合金铸锭空冷至室温。
优选地，所述第一级均匀化热处理温度为470~480℃，时间为22~30h。更优选地，所述第一级均匀化热处理温度为475~480℃，时间为24~28h。
优选地，所述第二级均匀化热处理温度为485~495℃，时间为28~36h。更优选地，所述第二级均匀化热处理温度为490~495℃，时间为28~34h。
优选地，所述第二级均匀化热处理淬火转移时间为不超过30s。更优选地，所述第二级均匀化热处理淬火转移时间为不超过25s。
优选地，所述第三级均匀化热处理温度为360~385℃，时间为14.5~18h。更优选地，所述第三级均匀化热处理温度为365~380℃，时间为15.5~18h。
优选地，所述合金中的Zr含量为0.08~0.25wt.%。更优选地，所述合金中的Zr含量为0.19~0.25wt.%。
优选地，所述的合金中的Zn含量为8.0~11.0wt%，Cu含量为2.0~2.5wt%，Cu/Mg比为1.0~1.4。更优选地，所述的合金中的Zn含量为8.0~10.0wt%，Cu含量为2.1~2.5wt%，Cu/Mg比为1.1~1.4。
经所述的均匀化热处理后，合金中残留的粗大第二相为以富Fe相为主的杂质相。
本发明的有益效果在于：
采用本发明的均匀化热处理方法能够实现高Cu含量、高合金化程度的条件下AlZnMgCu相回溶、较高温富Cu相的充分回溶，同时析出尺寸细小、分布均匀密集的弥散相，铸锭获得理想的组织。
附图说明
图1为本发明的一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法示意图。
图2为本发明实施例1合金第一级均匀化热处理结束后的扫描组织。
图3为本发明实施例1合金第一级均匀化热处理结束后的第二相局部放大图（对应于图2中黑色圆圈圈出的位置）。
图4为本发明实施例1合金第二级均匀化热处理结束后水淬后的扫描组织。
图5为本发明实施例1合金第三级均匀化热处理结束后的弥散相粒子的透射形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法包括：第一级均匀化热处理、第二级均匀化热处理、第三级均匀化热处理，具体包含以下工艺步骤：
（1）第一级均匀化热处理：将合金铸锭从室温迅速升温到465~480℃，保温18~30h；
（2）第二级均匀化热处理：将合金铸锭继续升温485~500℃，保温24~36h，然后淬火；
（3）第三级均匀化热处理：将淬火后的合金铸锭迅速升温到360~390℃，保温12~18h；
（4）将完成步骤（3）的合金铸锭空冷至室温。
本发明的三级均匀化热处理方法中，不同均匀化热处理预期达到的效果分别为：第一级均匀化热处理预期效果是实现AlZnMgCu相的充分回溶，同时提高富Cu相的回溶温度、缩短富Cu相的回溶时间；第二级均匀化热处理预期效果是实现富Cu相的充分回溶；第三级均匀化热处理的效果是实现Al3Zr相弥散细小析出。
实施例1
铝合金成分为Al-8.5Zn-1.5Mg-2.1Cu-0.16Zr-0.08Fe-0.06Si（wt.%），铸锭规格为Φ135mm。
对合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至467℃，保温30h；第二级均匀化热处理为从467℃升温至488℃，保温35h，随后立即淬火，淬火转移时间为30s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至364℃，保温17.5h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
如图2所示，为实施例1合金第一级均匀化热处理结束后的扫描组织，从图中可以看出，AlZnMgCu相已回溶。图3中显示出了本发明实施例1合金第一级均匀化热处理结束后的第二相局部放大图，对应于图2中的黑色圆圈圈出的位置。
如图4所示，为实施例1合金第二级均匀化热处理结束后水淬后的扫描组织，从图中可以看出，富Cu相已回溶，合金中残留的粗大第二相为富Fe相。
如图5所示，为实施例1合金第三级均匀化热处理结束后的弥散相粒子的透射形貌，从图中可以看出，合金中析出了尺寸细小、分布均匀的Al3Zr弥散相。
实施例2
采用实施例1中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至471℃，保温29h；第二级均匀化热处理为从471℃升温至494℃，保温28h，随后立即淬火，淬火转移时间为26s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至382℃，保温15h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例3
采用实施例1中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至475℃，保温28h；第二级均匀化热处理为从475℃升温至490℃，保温30h，随后立即淬火，淬火转移时间为18s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至367℃，保温16h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例4
采用实施例1中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至479℃，保温25h；第二级均匀化热处理为从479℃升温至495℃，保温29h，随后立即淬火，淬火转移时间为25s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至389℃，保温12h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例5
采用实施例1中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至477℃，保温26h；第二级均匀化热处理为从477℃升温至486℃，保温36h，随后立即淬火，淬火转移时间为22s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至361℃，保温18h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例6
采用实施例1中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至480℃，保温24h；第二级均匀化热处理为从480℃升温至500℃，保温33h，随后立即淬火，淬火转移时间为19s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至375℃，保温17h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例7
铝合金成分为Al-9.5Zn-1.8Mg-2.3Cu-0.25Zr-0.06Fe-0.05Si（wt.%），铸锭规格为Φ135mm。
对合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至478℃，保温19h；第二级均匀化热处理为从478℃升温至487℃，保温33h，随后立即淬火，淬火转移时间为23s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至384℃，保温13h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例8
采用实施例7中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至465℃，保温29h；第二级均匀化热处理为从465℃升温至494℃，保温31h，随后立即淬火，淬火转移时间为30s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至364℃，保温17.5h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例9
采用实施例7中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至472℃，保温25h；第二级均匀化热处理为从472℃升温至492℃，保温32h，随后立即淬火，淬火转移时间为19s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至375℃，保温16h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例10
采用实施例7中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至478℃，保温28h；第二级均匀化热处理为从478℃升温至499℃，保温25h，随后立即淬火，淬火转移时间为25s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至363℃，保温18h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例11
采用实施例7中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至480℃，保温25h；第二级均匀化热处理为从480℃升温至500℃，保温26h，随后立即淬火，淬火转移时间为23s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至369℃，保温15h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
实施例12
采用实施例7中的合金采用本发明的方法进行均匀化热处理，具体工艺为：第一级均匀化热处理为合金铸锭从室温升温至475℃，保温27h；第二级均匀化热处理为从475℃升温至486℃，保温29h，随后立即淬火，淬火转移时间为28s；第三级均匀化热处理为将淬火后的铸锭升温至382℃，保温17h。第三级均匀化热处理完毕后，合金铸锭空冷至室温。
对比例1
采用实施例1所用的铸锭进行单级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至475℃后保温28h，处理完毕后铸锭空冷至室温。
对比例2
采用实施例1所用的铸锭进行双级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至477℃后保温26h，然后升温至486℃后保温36h，处理完毕后铸锭空冷至室温。
对比例3
采用实施例1所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至410℃后保温10h，然后升温至467℃后保温30h，最后升温至485℃后保温35h。
对比例4
采用实施例1所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至440℃后保温8h，然后升温至467℃后保温30h，最后升温至485℃后保温35h。
对比例5
采用实施例1所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至440℃后保温8h，然后升温至480℃后保温24h，最后升温至500℃后保温33h。
对比例6
采用实施例1所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至380℃后保温18h，然后升温至480℃后保温24h，最后升温至500℃后保温33h。
对比例7
采用实施例7所用的铸锭进行单级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至480℃后保温25h，处理完毕后铸锭空冷至室温。
对比例8
采用实施例7所用的铸锭进行双级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至478℃后保温28h，然后升温至499℃后保温25h，处理完毕后铸锭空冷至室温。
对比例9
采用实施例7所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至410℃后保温10h，然后升温至465℃后保温29h，最后升温至494℃后保温31h。
对比例10
采用实施例7所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至440℃后保温8h，然后升温至465℃后保温29h，最后升温至494℃后保温31h。
对比例11
采用实施例7所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至440℃后保温8h，然后升温至480℃后保温25h，最后升温至500℃后保温26h。
对比例12
采用实施例7所用的铸锭进行三级均匀化热处理，具体工艺为：从室温升温至380℃后保温18h，然后升温至480℃后保温25h，最后升温至500℃后保温26h。
对实施例1-12和对比例1-12方法均匀化热处理后的合金进行分析，采用扫描组织观察是否有AlZnMgCu相或富Cu相回溶，统计分析透射组织中Al3Zr粒子的数量密度并比较其分布的均匀性程度，结果如表1和表2所示。
表1 实施例与对比例中不同均匀化热处理工艺下的第二相回溶效果
表2 实施例与对比例中不同均匀化热处理工艺下弥散相的析出结果
从表1可以看出，采用本发明的均匀化热处理方法可实现AlZnMgCu相和富Cu相的良好回溶。从表2可以看出，采用本发明的均匀化热处理方法获得的弥散相数量密度及分布均匀程度更好。
相比于对比例1-2和对比例7，本发明的均匀化热处理方法实现了AlZnMgCu相、富Cu相的良好回溶。与对比例3-5、对比例8、对比例9-11相比，对比例6和对比例12具有更好的弥散相析出特征。本发明与对比例6、对比例12相比，本发明在第三级采用较低温度（360~390℃）、较长时间（12~18h）的均匀化热处理方式，析出的弥散相单位面积数量显著提升，析出效果更好。本发明的均匀化热处理方法，实现了AlZnMgCu相回溶、较高温富Cu相的充分回溶，同时Al3Zr相析出密度大、分布均匀，铸锭获得了理想的组织。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述铝合金中，Zr含量为0.08~0.25wt.%，Zn含量为8.0~11.0wt%，Cu含量为2.0~2.5wt%，Cu/Mg比为1.0~1.4；所述方法包含以下工艺步骤：
（1）第一级均匀化热处理：将合金铸锭从室温迅速升温到465~480℃，保温18~30h；
（2）第二级均匀化热处理：将合金铸锭继续升温到485~500℃，保温24~36h，然后淬火；
（3）第三级均匀化热处理：将淬火后的合金铸锭迅速升温到360~390℃，保温12~18h；
（4）将完成步骤（3）的合金铸锭空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第一级均匀化热处理温度为470~480℃，保温时间为22~30h。
3.根据权利要求2所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第一级均匀化热处理温度为475~480℃，保温时间为24~28h。
4.根据权利要求1所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第二级均匀化热处理温度为485~495℃，保温时间为28~36h。
5.根据权利要求4所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第二级均匀化热处理温度为490~495℃，保温时间为28~34h。
6.根据权利要求1所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第二级均匀化热处理淬火转移时间不超过30s。
7.根据权利要求1所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第三级均匀化热处理温度为360~385℃，保温时间为14.5~18h。
8.根据权利要求7所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，所述的第三级均匀化热处理温度为365~380℃，保温时间为15.5~18h。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的高Cu含量超高强耐蚀7xxx系铝合金的均匀化热处理方法，其特征在于，经所述均匀化热处理后，合金中残留的粗大第二相为以富Fe相为主的杂质相。
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2023
- 2023-04-06 CN CN202310355631.4A patent/CN116065108B/zh active Active
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