陳 琳

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司 重慶 九龍坡 401326）

0 前 言

7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強化多元時效合金，是航空航天領域的主要結構材料之一，具有高強度、低密度和熱加工性能好等優(yōu)點。目前，開發(fā)和發(fā)展高性能鋁合金主要是圍繞提高材料的強度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展研究，通過調整合金成分、添加新的合金元素、新的加工和制造技術等途徑進行開發(fā)研究[1、2]。

形變熱處理是將形變強化和相變強化相結合的強韌化工藝技術，通過形變增加金屬中缺陷(主要是位錯)的密度并改變其分布，熱處理相變時這些形變時產(chǎn)生的缺陷將影響新相的形核動力學和分布，同時，新相的形成又對位錯等缺陷的運動起釘扎、阻滯作用，使金屬中的缺陷穩(wěn)定、組織細化，從而提高其強度和韌性[3]。目前，研究較多的是可熱處理強化鋁合金的最終形變熱處理[4]。Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si鋁合金采用最終形變熱處理，可大幅提高合金的強度，但Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金采用上述相同的形變熱處理工藝后，合金板材的時效強度反而明顯下降[4～6]。本文采用“軋制→淬火→預時效→形變處理→終時效”的加工工藝，研究形變熱處理對7075鋁合金組織和性能的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的力學性能提供參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為重慶鼎發(fā)鋁加工有限責任公司提供的規(guī)格為25×600×1800mm7075鋁合金熱軋板材，合金板材實測化學成分（質量分數(shù)，%）為：0.05Si、0.31Fe、1.44Cu、0.04Mn、2.40Mg、0.23Cr、5.56Zn、0.02Ti，余量為Al。

1.2 實驗方法

實驗先對預留冷變形量的厚度為25mm的7075合金熱軋板材進行固溶淬火處理，淬火加熱溫度為470±5℃，保溫時間為120min，室溫水冷，淬火轉移時間小于25s。淬火處理之后，將上述鋁合金進行預時效處理，預時效處理溫度為105℃，保溫時間為240min。預時效處理后，對厚度為25mm的鋁合金板材進行冷軋變形，鋁合金板材最終厚度為20mm，變形率為20%。形變處理后，對合金進行終時效處理，終時效處理的溫度為110±5℃，保溫時間為1440min。

為比較研究形變熱處理對7075合金性能的影響，對直接熱軋的厚度為20mm的7075合金板材進行常規(guī)固溶淬火處理，淬火加熱溫度為470±5℃，保溫時間為120min，室溫水冷，淬火轉移時間小于25s；淬火后將合金板材進行峰值時效處理，時效加熱溫度為120±5℃，保溫時間為1440min。

實驗中固溶淬火處理在自動淬火電阻爐中進行，時效處理在箱式電阻爐中進行。固溶淬火預時效及終時效后合金板材分別取樣，對試樣進行預磨、精磨、拋光、腐蝕制備金相試樣，在光學顯微鏡和電子掃描電鏡下觀察樣品的金相組織。對形變熱處理后和常規(guī)熱處理（T6態(tài)）后的合金板材分別取樣，在電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗，檢測合金板材室溫力學性能。

2 實驗結果

2.1 形變熱處理后合金的力學性能

對形變熱處理后和常規(guī)熱處理（T6態(tài)）后、厚度均為20mm的合金板材分別取樣，檢測比較合金板材室溫力學性能（LT），結果見表1。

表1 7075鋁合金形變熱處理和常規(guī)熱處理（T6態(tài)）力學性能比較（LT向）

實驗結果表明，同常規(guī)T6態(tài)峰值時效熱處理比較，7075合金板材采用形變熱處理后，合金抗拉強度和屈服強度均有大幅提高（100MPa），延伸率基本相當，依然保持了較好的塑性。表1的結果表明，形變熱處理能有效的提高合金的力學性能。

2.2 合金金相組織

7075合金不同時效處理時的組織形貌及SEM形貌分別示于圖1和圖2。

圖1 7075合金不同時效處理時的組織形貌

圖2 7075合金不同時效處理時的SEM形貌

實驗結果表明，低溫預時效處理后，合金板材為扁平細長的再結晶組織，在晶界和晶內有彌散分布的細小沉淀相析出；在經(jīng)過20%的冷軋變形、再時效處理后，合金晶粒變得更為扁平細小，析出的均勻細小沉淀相的密度明顯增加，且可以觀察到清晰的位錯帶組織。

圖3 7075合金SEM形貌和能譜分析

表2 7075試驗板材主要物相的能譜分析（質量分數(shù)/%）

表1的能譜分析結果表明，合金淬火預時效后主要存在有θ′（CuAl2）相，其中含有部分雜質Fe和少量的Zn、Mg、Mn等元素，形貌為灰色的塊狀；形變處理終時效后，θ′（CuAl2）相中的Fe含量降低，Cu含量增加（圖3中a1、b4比較）。同時，存在有η′（MgZn2）相，其中含有少量的Cu，形貌為灰色的不規(guī)則的塊、條狀，形變處理終時效后，其形貌扁平細?。▓D3中a2、b3比較）。

3 實驗結果分析

高強鋁合金的基體沉淀相組織、晶界沉淀相組織、晶界無析出帶形狀與特性決定鋁合金的宏觀性能。鋁合金淬火處理后得到的是過飽和的α固溶體和很高的空位密度，時效處理時，隨時間變化將析出沉淀，發(fā)生過程是從 GP[Ⅰ]區(qū)→GP[Ⅱ]→過渡相→平衡相的相變過程，具有高相變組織的微觀特性[4]。相關的研究表明[5、6]，采用“淬火→形變處理→終時效”的形變熱處理，可提高Al-Cu、Al-Mg-Si系鋁合金的強度性能，但Al-Zn-Mg系鋁合金在形變時效后強度和硬度總體呈下降趨勢，并隨變形量的增大、時效溫度的提高，下降程度加劇；其主要原因是變形后位錯密度增加，使與基體無共格關系的η相形核率增加，強化相 GP 區(qū)和η′相減少，最終大量的粗大η相的弱化效果大于位錯強化作用，使合金弱化。也有資料表明，7075 鋁合金冷變形后時效強度降低，一般認為是由于位錯造成η′相不均勻形核所致[7]。

本實驗7075合金的合金主要化學成分Zn、Cu含量均較低，其Zn/Mg比值為2.31，較低的Zn/Mg比值有利于合金鑄造成型，降低合金鑄造時的裂紋傾向[8]；相對的不利因素是，采用常規(guī)T6熱處理時其合金的強度相對較低。實驗采取“淬火→預時效→形變處理→終時效”的形變熱處理，提高了7075鋁合金的強度性能。合金板材淬火后采用低溫、短時預時效處理，可以獲得以GP區(qū)為主的彌散分布的細小沉淀相，為終時效處理時穩(wěn)定存在的GP區(qū)優(yōu)先成核提供條件，消除了冷軋變形后時效因位錯造成η′相不均勻形核帶來的不利影響。預時效的加熱溫度較低（105℃），有利于合金淬火后彌散分布的細小沉淀相析出形成，預時效的保溫時間短（4h），同淬火后合金相比，合金的強度升高不大，有利于后續(xù)的冷軋變形。

合金預時效后經(jīng)20%的冷軋變形后再時效，同預時效后的合金相比，合金晶粒變得更為扁平細小，有大量的位錯纏結和細小、彌散分布的析出相，細小沉淀相的密度明顯增加，見圖1（a）、圖2（b）。較大的冷軋變形率引入了大量的位錯，促進了終時效時GP區(qū)轉化為高密度均勻細小過渡強化相(主要是η′相)的析出。冷變形可加速終時效的析出過程，使終時效的時效峰值提前出現(xiàn)[9]。過高的終時效溫度，會導致強化相η′尺寸增大，可能伴隨有部分強化相η′向平衡相η的轉變；均勻析出的與合金基體共格的GP區(qū)和η′強化相，是7075合金保持較高強度的主要原因；但強化相η′相轉變?yōu)橄鄬Υ执蟮钠胶庀唳?，平衡相η和基體不共格，導致基體的晶格畸變減小，合金的強度下降，下降程度隨η相數(shù)量的增加和尺寸的粗大而加劇。因此，選擇較低的終時效溫度（110℃）和較長的保溫時間（24h），有利于細小、彌散分布的η′相析出，防止或減少平衡相η的大量形成，有利于合金的強化。同時，預時效后的形變處理，合金由于位錯與強化相η′的交互作用，因而提高了7075鋁合金強度，且使7075鋁合金保持了較好的塑性。

4 結 論

（1)淬火→預時效→形變處理→終時效的形變熱處理工藝,可顯著提高7075合金板材的強度,且使7075鋁合金保持了較好的塑性。

（2)7075合金形變熱處理后主要存在有θ′（CuAl2)相,其中含有部分雜質Fe和少量的Zn、Mg、Mn等元素,存在有η′（MgZn2)相,其中含有少量的Cu。

（3)變熱處理提高7075合金強度的原因是大量位錯與高密度析出的、均勻細小強化相η′的交互作用的結果。

[1]張世興，吳海宏，鄧鵬輝，等.熱處理制度對7075合金顯微組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2008，37（22）：56-58

[2]趙青.熱處理工藝對7075合金組織和力學性能的影響[D].鄭州大學，2012

[3]林高用.7075系鋁合金厚板加工技術相關基礎研究[D].中南大學，2006

[4]王佳,何慶中.鋁合金形變時效處理的分析和比較探討[J].四川理工學院學報 ( 自然科學版 )，2007，20（4）：73-76

[5]洪班德，等.高強鋁合金形變熱處理譯文集[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987

[6]王祝堂,田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙:中南大學出版社，2000.186

[7]寧愛林,劉志義,曾蘇民，等.鋁合金形變熱處理工藝研究進展[J].材料導報，2007,21（3）：74-76

[8]陳渝,張志強,林順巖.同水平密排熱頂鑄造7075合金方錠工藝研究[J].輕合金加工技術，2010,38（5）：8-11

[9]胡建國,曹乃光.工業(yè)鋁鋅鎂合金板材形變熱處理研究[J].輕金屬，1991,8：51-56