羅 杰，呂正風(fēng)，張 華，孟凡林

（南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265706）

7050鋁合金回歸再時(shí)效工藝（RRA）研究

羅 杰，呂正風(fēng)，張 華，孟凡林

（南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265706）

通過對(duì)傳統(tǒng)RRA處理路線的改進(jìn)，采用正交試驗(yàn)法得到了27mm厚的7050鋁合金可工業(yè)化生產(chǎn)的RRA處理的熱處理制度，即：預(yù)時(shí)效120℃/24h＋20min內(nèi)從120℃加熱至190℃并保溫60min后強(qiáng)制水冷到室溫＋再時(shí)效120℃/24h。這種制度經(jīng)重復(fù)性驗(yàn)證及TEM分析，其晶內(nèi)保持類似于T6 狀態(tài)的顯微組織結(jié)構(gòu)，為細(xì)小彌散的η＇相和極少量的η相。同時(shí)，晶界析出物的大小和分布特征與T74 狀態(tài)的類似，這樣既保證了T6狀態(tài)的強(qiáng)度又具有T74狀態(tài)的抗蝕性能。

7050鋁合金；回歸再時(shí)效；RRA；顯微組織

0　前言

7050型鋁合金（7050、7150、7055）為一種高性能的超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，可通過T77獲得良好的綜合性能，Alcoa公司于1991年開發(fā)了7055-T77 熱處理狀態(tài)的制品已在B777 和A380等先進(jìn)民用飛機(jī)中獲得廣泛的應(yīng)用，如上翼蒙皮、水平尾翼、龍骨架、座軌和貨運(yùn)滑軌等[1]。但T77制度屬專利，至今尚未公開，因此在開發(fā)7050型超高強(qiáng)鋁合金的同時(shí)必須研究這種能使合金集高強(qiáng)、高韌、良好抗蝕性為一體的回歸再時(shí)效熱處理制度。近十年來，我國(guó)已開展較多的7×××鋁合金RRA時(shí)效處理制度的研究，如張延杰等研究了7075 鋁合金回歸再時(shí)效（RRA）后的顯微組織特征[2]，鄭子樵等在7055 合金的常規(guī)RRA工藝、連續(xù)RRA工藝和雙級(jí)時(shí)效工藝方面進(jìn)行了大量的研究[3～5]等等。但公開發(fā)表的大多為實(shí)驗(yàn)室條件的研究成果，而我國(guó)大飛機(jī)上所用7050型鋁合金以中厚板居多，且由于國(guó)外具體的T77工藝高度保密，因此，研究和開發(fā)可工業(yè)化應(yīng)用的7050型合金厚板的RRA熱處理制度對(duì)于我國(guó)大飛機(jī)的發(fā)展具有十分重要的意義[1]。由于傳統(tǒng)的RRA處理工藝過程中高溫回歸時(shí)間很短（幾十秒到幾分鐘），對(duì)于厚截面產(chǎn)品不適合工業(yè)化應(yīng)用。因此，本文作者以南山現(xiàn)有的工業(yè)化熱處理爐為試驗(yàn)條件，在充分分析已有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用正交法以RRA回歸時(shí)效段的升溫時(shí)間、回歸溫度、保溫時(shí)間為三因素，根據(jù)設(shè)備條件，選取三水平，進(jìn)行L9（33）的正交試驗(yàn)，并結(jié)合檢測(cè)室溫拉伸、慢應(yīng)變速率拉伸、金相（OM）及透射電鏡（TEM ）等方法，研究了不同的升溫時(shí)間、回歸溫度及保溫時(shí)間的RRA時(shí)效處理對(duì)7050鋁合金組織、力學(xué)性能及腐蝕性能的影響，確定一種回歸溫度較低和回歸時(shí)間更長(zhǎng)的RRA熱處理制度[2]，以適應(yīng)在工業(yè)化生產(chǎn)條件下7050型合金厚板的RRA處理。

1　試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)合金為7050合金，其化學(xué)成分見表1。鑄錠批號(hào)：BB02420，鑄錠規(guī)格為480mm×1560mm×Lmm。鑄錠通過雙級(jí)均勻化（460℃/24h+478℃/8h）→機(jī)加工→預(yù)加熱（420℃/3h）→熱軋至27mm厚度，在切邊鋸機(jī)組上定尺鋸切成27mm×1100mm×7000mm的試驗(yàn)樣品板材10塊及1塊27mm×1100mm×300mm 試樣。其中，鑄錠的熔煉鑄造在南山鋁業(yè)60t熔鑄生產(chǎn)線進(jìn)行；板材軋制在南山鋁業(yè)1+5熱軋生產(chǎn)線及配套設(shè)施上進(jìn)行。

表1　7050實(shí)驗(yàn)合金化學(xué)成分范圍

2　試驗(yàn)方案及方法

眾多文獻(xiàn)表明：7050合金的RRA時(shí)效處理，第1級(jí)及第3級(jí)時(shí)效均為T6峰值時(shí)效，在工業(yè)條件下極易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，馮朝暉、閆亮明等人研究了回歸溫度、回歸升溫時(shí)間及保溫時(shí)間的相交互作用對(duì)合金性能的影響，即：如果回歸溫度越高或升溫時(shí)間越長(zhǎng)，則合金強(qiáng)度達(dá)到峰值的時(shí)間越短，最佳升溫時(shí)間為3min，回歸溫度為190℃，保溫時(shí)間為60min，其RRA處理的原理圖及路線見圖1（a）。但在工業(yè)化生產(chǎn)條件下，這種升溫速率難以達(dá)到。因此，本文作者將原RRA處理路線圖改為圖1（b）所示的改進(jìn)型RRA處理方案，并將回歸溫度、回歸升溫時(shí)間及保溫時(shí)間設(shè)定為三因素，以設(shè)備加熱條件等，分別設(shè)置回歸溫度為180℃、190℃、200℃；升溫時(shí)間設(shè)置為20min、30min、40min；保溫時(shí)間設(shè)置為50 min、60 min、70min。在南山現(xiàn)有特定的工業(yè)熱處理爐上進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)（如表2）。其中回歸冷卻為強(qiáng)制冷卻到室溫。根據(jù)正交試驗(yàn)的最佳組合及主次因素的分析，進(jìn)行1次工藝驗(yàn)證及優(yōu)化的RRA處理實(shí)驗(yàn)。為了便于比較，T6狀態(tài)的時(shí)效采用（120℃/24h），T74采用（121℃/4h+163℃/25h）。

拉伸試樣在正交試驗(yàn)時(shí)采用橫向（LT）的標(biāo)準(zhǔn)（L0=5d）拉伸圓棒試樣在Instron5985上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試；電導(dǎo)率測(cè)量在D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x上進(jìn)行，測(cè)量前用標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行校準(zhǔn)。按GB/ T15970.7-2000進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，慢應(yīng)變速率拉伸的腐蝕介質(zhì)為2%NaCl+0.55%Na2CrO4溶液（體積分?jǐn)?shù)）。以強(qiáng)度損失率來評(píng)價(jià)合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，其試驗(yàn)設(shè)備為XC4-WDML-3型。光學(xué)顯微鏡觀察在Axio Imager M2m上進(jìn)行；透射電鏡觀察在JEM-2100F透射電鏡上進(jìn)行。

圖1　RRA時(shí)效原理及路線示意圖

表2　RRA正交試驗(yàn)表

3　結(jié)果及分析

3.1正交試驗(yàn)的結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)后，對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)和電導(dǎo)率測(cè)試，其結(jié)果見表3。其中表內(nèi)數(shù)據(jù)為三個(gè)平行樣數(shù)據(jù)的平均值按相關(guān)規(guī)則修約獲得。從表3可以看出：板材的屈服強(qiáng)度在451MPa～557MPa，抗拉強(qiáng)度在485MPa～602MPa，延伸率為12.2%～14.8%。4#制度的力學(xué)性能最好，即：1級(jí)時(shí)效+190℃/60min（升溫時(shí)間20min）+3級(jí)時(shí)效。

表3　正交試驗(yàn)板材力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果（橫向）

通過對(duì)表3的正交試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行極差分析，找到影響材料性能的主、次要因素，得到結(jié)果如表4。從表4中可以看到：影響強(qiáng)度的主要因素為：A＞C＞B；影響材料延伸率的主次要因素為：B＞A＞C。

表4　正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2工藝驗(yàn)證結(jié)果

將正交試驗(yàn)的最佳組合：120℃/24h+190℃/60min（升溫時(shí)間20min）+120℃/24h進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：正交試驗(yàn)的結(jié)果可信。參照7150-T7751板材的AMS標(biāo)準(zhǔn)，其拉伸性能、斷裂韌性、剝落腐蝕均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5　RRA處理工藝驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.3慢應(yīng)變速率拉伸性能

表6為工藝驗(yàn)證RRA處理后試樣與T6、T74處理的試樣在不同的介質(zhì)中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。從表6中可以看出：T6態(tài)在空氣中拉伸強(qiáng)度最高，但在腐蝕環(huán)境中，強(qiáng)度損失很明顯，達(dá)5.5%，斷裂失效時(shí)間最短；經(jīng)T74人工過時(shí)效處理后，強(qiáng)度損失只有1.4%，且斷裂失效時(shí)間最長(zhǎng)，這說明T74的腐蝕性能大大地提高；但在空氣介質(zhì)中的拉伸強(qiáng)度與T6狀態(tài)相比，強(qiáng)度損失了16.4%；而本實(shí)驗(yàn)確定的較優(yōu)化的RRA處理工藝后的試樣在慢應(yīng)變拉伸中強(qiáng)度下降較少，強(qiáng)度損失為1.5%，失效時(shí)間延長(zhǎng)到15.5h，已接近T74，與T6狀態(tài)相比，強(qiáng)度損失只有1.3%。這表明本實(shí)驗(yàn)確定的RRA工藝在強(qiáng)度降低較少的條件下能顯著改善7050合金的抗腐蝕性能。

表6　7050合金的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4TEM形貌觀察與討論

圖2為經(jīng)不同時(shí)效處理后的TEM組織及電子衍射花樣觀察結(jié)果。從圖2（b）可看出，T6態(tài)合金晶內(nèi)由均勻、細(xì)小彌散形的強(qiáng)化相組成，電子衍射分析表明強(qiáng)化相為η′相和GP區(qū)混合物[6]，所以合金的強(qiáng)度很高。此外，還可觀察到大量彌散的Al3Zr粒子（如圖2（b）中箭頭所示），起到細(xì)化組織的作用，對(duì)合金的強(qiáng)度高亦有貢獻(xiàn)。大部分晶界上的析出相沿晶界連續(xù)分布，晶界無沉淀析出帶（PFZ）不明顯（見圖2（a））。從圖2（c）～圖2（f）可看出，RRA態(tài)的晶界呈不連續(xù)分布、兩側(cè)有沉淀無析出帶，隨著回歸時(shí)間的延長(zhǎng)，晶內(nèi)、晶界析出相逐漸粗化，而無沉淀析出帶先變窄后變寬，RRA（190℃/60min）態(tài)的寬度與回歸初期RRA（190℃/40min）態(tài)的相差不多。從圖2（f）可看出，RRA狀態(tài)合金晶內(nèi)組織與T6態(tài)的相似，由大量細(xì)小、彌散的沉淀強(qiáng)化相組成，電子衍射分析表明強(qiáng)化相主要為η′相和η相，因此，合金的強(qiáng)度很高。而晶界析出相比相應(yīng)回歸態(tài)的更加不連續(xù)和粗化，該結(jié)構(gòu)有利于提高合金的抗腐蝕能力。由圖2（g）可見，經(jīng)T74 時(shí)效處理的樣品晶內(nèi)析出相主要為粗化η′相和短棒狀η相，晶界上η相己嚴(yán)重粗化，呈斷續(xù)離散分布，晶界PFZ較寬。

由此同見，經(jīng)RRA處理后的狀態(tài)可以同時(shí)具有與T6 時(shí)效態(tài)類似的均勻彌散的晶內(nèi)析出相和與T74 時(shí)效態(tài)類似的晶界析出相形貌特征。因此，經(jīng)實(shí)驗(yàn)處理的RRA態(tài)既具有T6狀態(tài)的高強(qiáng)度又具有T74狀態(tài)的抗腐蝕的性能。這是由于7050合金為Al-Zn-Mg-Cu系合金，沉淀析出過程按過飽和固溶體→GP區(qū)→η′→η相的順序進(jìn)行[5～6]。經(jīng)120℃第一級(jí)預(yù)時(shí)效至峰值狀態(tài)后，合金基體為GP區(qū)和細(xì)小彌散的η′相，晶界為連續(xù)鏈狀析出物η′相及η相（見圖2（a））。第二級(jí)時(shí)效為回歸處理，由于晶界為溶質(zhì)原子的易擴(kuò)散通道，預(yù)時(shí)效時(shí)在晶界處溶質(zhì)偏析程度高，形核速度快，析出相成核后迅速長(zhǎng)大，因此，在第一級(jí)時(shí)效后己形成的較穩(wěn)定η′和η相在高溫回歸下不回溶，而向著更穩(wěn)定的方向演化，晶界析出物尺寸逐漸增大并開始聚集、孤立，成為斷續(xù)結(jié)構(gòu)。第三級(jí)再時(shí)效過程中，回歸后過飽和狀態(tài)的合金基體中重新析出強(qiáng)化相，使合金的強(qiáng)度回復(fù)到接近峰值狀態(tài)的強(qiáng)度，從而使得RRA 處理的合金既保持了T6 峰值態(tài)的強(qiáng)度，又使晶界析出相形貌特征類似于T74 狀態(tài)。

圖2　T6態(tài)、RRA態(tài)及T74態(tài)的TEM觀察結(jié)果

3.5RRA處理對(duì)抗晶間腐蝕的影響

T6和RRA處理樣品的晶間腐蝕形貌如圖3所示，腐蝕深度如表7所示。由此可知，RRA處理可以減小合金的晶間腐蝕深度，改善合金的晶間腐蝕性能。這可以用氫致破裂理論加以解釋。一般認(rèn)為：晶界上粗大的析出物粒子能夠捕捉自由的氫原子， 使之重新合成氫分子，并形成氣泡而逸出，從而降低晶界氫原子濃度和裂紋擴(kuò)展速率，提高抗應(yīng)力腐蝕性能。因此，晶界析出物越粗大，且彼此間距越大， 越有利于抗應(yīng)力腐蝕性能的改善。另一方面，合金經(jīng)RRA 處理后， 由于晶界上平衡相充分析出，溶質(zhì)原子因進(jìn)入析出相而使偏聚程度減輕， 致使晶內(nèi)和晶界的電化學(xué)差異縮小， 也有利于改善抗應(yīng)力腐蝕性能。

圖3　T6態(tài)和RRA態(tài)合金的晶間腐蝕截面形貌

表7　T6態(tài)和RRA態(tài)合金的晶間腐蝕等級(jí)評(píng)定

4　結(jié)論

（1）從現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際出發(fā)，通過對(duì)傳統(tǒng)RRA處理路線的改進(jìn)，并采用正交試驗(yàn)法找到了回歸處理過程中的回歸溫度、升溫時(shí)間及保溫時(shí)間的最佳配合，得到了27mm厚的7050鋁合金可工業(yè)化生產(chǎn)的RRA處理最佳的熱處理制度。其制度為：預(yù)時(shí)效120℃/24h＋20min內(nèi)從120℃加熱至190℃并保溫60min后強(qiáng)制水冷到室溫＋再時(shí)效120℃/24h。

（2）這種制度經(jīng)重復(fù)性驗(yàn)證及TEM分析，其晶內(nèi)保持類似于T6 狀態(tài)的顯微組織結(jié)構(gòu)，為細(xì)小彌散的η＇相和極少量的η相。同時(shí)，晶界析出物的大小和分布特征與T74 狀態(tài)的類似，從而既保持了T6狀態(tài)的強(qiáng)度又具有T74狀態(tài)的抗蝕性能。

[1]廖忠全.7A55鋁合金預(yù)拉伸板材的回歸再時(shí)效處理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，21（9）：2454-2460

[2]謝燮挨.Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)鋁合金RRA處理[J].輕合金加工技術(shù)，1996，24（2）：31-32

[3]鄭子樵，李紅英， 莫志民. 一種7055 型鋁合金的RRA處理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11（5）: 771-776

[4]龍佳，鄭子樵，魏修宇，周嫻，閆焱，佘玲娟. 7A55鋁合金在常規(guī)RRA 和連續(xù)RRA 處理過程中的性能及組織演變[J]. 稀有金屬材料與工程，2010，39（9）: 1588-1592

[5]谷亦杰，劉培英，張永剛，等.回歸溫度對(duì)7050合金沉淀過程的影響[J].材料工程，（2001）京新出報(bào)刊增準(zhǔn)字第376號(hào)72-74

[6]DANH N C，RAJAN K，WALLACE W. A TEM study of microstructural changes during retrogression and reaging in 7075 aluminun[J].Metallirgical Transactions A，1983，14（9）：1843-1850

（編輯：余東梅）

Study on Regression Re-Aging Process （RRA） of7050 Alloy

LUO Jie，LV Zheng-feng，ZHANG Hua，MENG Fan-lin
（Shandong Nanshan Aluminum Co.，Ltd，Longkou，265706，China）

By improving traditional RRA process practice， industrial RRA heat treatment system for 7050 alloy with thickness of 27mm can be obtained by orthogonal test. That is :pre-aging 120℃/24h， heat up from 120℃ to 190℃ within 20mins， soaks for 60mins， and water cooling to ambient temperature and then re-age 120℃/24h. This practice has been verified with repeat tests and TEM analysis with similar inter-granular microstructure to T6 with fine dispersed phase η’ and quite few phase η. Meanwhile， size and distribution feature of grain boundary precipitations are similar to T74. By this practice， the material could have strength of T6 and anti-corrosion property of T74.

7050 alloy; regression re-aging; RRA; microstructure

TG146.21，TG166.3

A

1005-4898（2016）02-0014-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.03

羅杰（1965-），男，四川巴中人，清華大學(xué)畢業(yè)，高級(jí)工程師。

2015-12-20