張 瓊

（中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

隨著鋁合金在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中應(yīng)用更加廣泛，其綜合性能的提升也越發(fā)重要[1]。7075 鋁合金最初開(kāi)發(fā)是為了宇航器具，該材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高[2]。隨后，7075 鋁合金被應(yīng)用于其他方面，例如：能源、化工等等[3]。和傳統(tǒng)的材料不同，7075 鋁合金可以通過(guò)熱處理，將其性能更好地發(fā)揮出來(lái)[4]。作為A1-Zn-Mg-Cu 系合金，7075 鋁合金具有高強(qiáng)、高韌的優(yōu)勢(shì)。但同樣，也存在一些問(wèn)題導(dǎo)致了綜合性能不佳[5]。最嚴(yán)重的問(wèn)題就是，對(duì)應(yīng)力腐蝕過(guò)于敏感，這種缺陷帶來(lái)的影響是致命的，應(yīng)力腐蝕可以降低金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致失效，使得這種合金無(wú)法廣泛應(yīng)用[6]。本文通過(guò)對(duì)7075 鋁合金的不同熱處理狀態(tài)研究，分析不同狀態(tài)下合金的性能，尋找最優(yōu)的熱處理方式。解決其面對(duì)問(wèn)題，為7075 鋁合金的推廣掃清障礙[7]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及成分

該項(xiàng)試驗(yàn)所使用材料為，47mm 厚的7075 鋁合金板，其成分如表1 所示。

表1 7075 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方式

在傳統(tǒng)的熱處理方式中，為了保證7075 鋁合金的強(qiáng)度，通常采用峰時(shí)效T6熱處理的方式，這種方式保證了合金的高強(qiáng)度，但是，這種處理手段造成了合金的應(yīng)力腐蝕性極高。另外還有一種G73 的過(guò)時(shí)效處理方式，這種方式改變了合金的晶界結(jié)構(gòu)，對(duì)延緩腐蝕速度起了作用，但是卻降低了力學(xué)性能。因此，本文想要打破傳統(tǒng)的方式，將不同熱處理狀態(tài)下的合金性能進(jìn)行研究。

第一種是固溶處理狀態(tài)，就是將7075 鋁合金高溫加熱到恒定溫度，使其經(jīng)過(guò)一小時(shí)充分溶解，隨后快速冷卻，用來(lái)獲取過(guò)飽和固溶體；

第二種是分級(jí)淬火狀態(tài)，將7075 鋁合金快速加熱保溫，等內(nèi)部與表面溫度相符后，放入作為介質(zhì)的水中進(jìn)行冷卻。這種方式可以使合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化；

第三種是雙級(jí)時(shí)效狀態(tài)，雙級(jí)時(shí)效指是在不同溫度下進(jìn)行兩次時(shí)效處理。首先在較低的溫度下進(jìn)行預(yù)時(shí)效，以此來(lái)了解合金高密度的G.P 區(qū)，對(duì)組織的均勻性做一個(gè)提高；然后進(jìn)行最終時(shí)效，這是需要保持較高溫度，并且時(shí)長(zhǎng)要增加，例如：在160、170、180、190℃保持16 小時(shí)以及170℃分別保持10、14、16、20 小時(shí)，最終提高7075 鋁合金性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固溶處理狀態(tài)下合金處理結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)合金的性能產(chǎn)生最大影響的，是固溶處理的溫度，固溶處理溫度的升高后，7075 鋁合金所展現(xiàn)出的硬度處于先上升后下降的狀態(tài)，其拉伸強(qiáng)度也是這種趨勢(shì)。合金性能最優(yōu)的峰值，出現(xiàn)在470℃。470℃以后，隨著溫度的不斷上升，各項(xiàng)數(shù)值皆開(kāi)始下滑，如表2 所示。

表2 固溶處理中合金性能變化情況

2.2 分級(jí)淬火狀態(tài)下合金處理結(jié)果

在分級(jí)淬火的處理狀態(tài)中，以水作為淬火介質(zhì)，進(jìn)行一小時(shí)的慢冷工藝，將溫度保持在350℃。通過(guò)這種淬火后，我們會(huì)可以觀察到，7075 鋁合金實(shí)驗(yàn)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

2.3 雙級(jí)時(shí)效狀態(tài)下合金處理結(jié)果

作為一種可強(qiáng)化的合金，7075 鋁合金在經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，才可以得到更高的力學(xué)性能。在雙時(shí)效處理中，控制好一級(jí)、二級(jí)時(shí)效的溫度，并且把握好時(shí)間，對(duì)合金的高強(qiáng)、高韌處理才能達(dá)到要求，充分發(fā)揮7075 鋁合金的性能。并且，將這種力學(xué)性能同抗腐蝕性能完美合作。雙時(shí)效處理對(duì)于力學(xué)性能的影響巨大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中不同溫度、時(shí)間的測(cè)試，可以了解，溫度不斷上升后，雙時(shí)效狀態(tài)下的合金硬度在110℃左右出現(xiàn)最高值，隨后開(kāi)始掉落，這時(shí)候R=650，W=610，A=48%，Rm=28%。如圖1 所示，圖中R、W、A、Rm 四條曲線分別對(duì)應(yīng)硬度、強(qiáng)度、塑性、以及伸長(zhǎng)率四種性能。除了溫度之外，時(shí)效時(shí)間也對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生著重要影響。隨著時(shí)間的流逝，一級(jí)時(shí)效中，3-4h 是合金的最高硬度，這也就是最佳處理時(shí)間。綜上所述，一級(jí)時(shí)效處理的最好狀態(tài)的參數(shù)為：溫度（110±6）℃，時(shí)間為（3-4）h。二級(jí)時(shí)效的處理也做了相似實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖2 所示，根據(jù)二級(jí)時(shí)效的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出來(lái)的數(shù)據(jù)，我們可以得知，二級(jí)時(shí)效處理狀態(tài)最好的時(shí)候是：溫度(180±6) ℃，時(shí)間為（13-14）h。此時(shí)合金的硬度、強(qiáng)度、拉伸率分別達(dá)到了700、687、31%。

圖1 一級(jí)時(shí)效溫度對(duì)力學(xué)性能影響

圖2 二級(jí)時(shí)效溫度對(duì)力學(xué)性能影響

除此之外，通過(guò)顯微鏡下對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的觀察，此時(shí)合金的晶界結(jié)構(gòu)受到改變，在高強(qiáng)、高韌特點(diǎn)保持的基礎(chǔ)上，其耐腐蝕性也有所提升。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

首先，7075 鋁合金在固溶處理狀態(tài)下，進(jìn)行了試驗(yàn)觀察，結(jié)果顯示，其最佳處理參數(shù)為470℃×1h，合金的各種屬性，包括硬度、強(qiáng)度等，在固溶溫度升高的時(shí)候有所上升，但是470℃以后開(kāi)始下降。由于固溶溫度的不同，合金的強(qiáng)度和硬度發(fā)生不斷變化，470℃以下時(shí)，由于強(qiáng)化因素在組織中處于主體位置，強(qiáng)度和硬度都在不斷增加；超過(guò)這個(gè)溫度，處于主導(dǎo)位置的就變成了軟化因素，各方面都開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其次，將7075 鋁合金固溶處理后，以水為介質(zhì)，進(jìn)行350℃×1h 的淬煉，這種處理狀態(tài)，可以使得合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改變，經(jīng)過(guò)后續(xù)的恰當(dāng)操作，在解決7075 鋁合金應(yīng)力腐蝕性大的問(wèn)題，可以產(chǎn)生極為重要的影響。最后，對(duì)7075 鋁合金進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理時(shí)，可通過(guò)數(shù)據(jù)觀察，得到最佳處理參數(shù)：（110±6）℃×（3-4）h+(180±6) ℃×（13～14）h。在這種處理狀態(tài)下，7075 鋁合金保證了高水平的力學(xué)性能，硬度、強(qiáng)度、拉伸率分別達(dá)到了700、687、31%。并且，很大程度提升了合金的抗應(yīng)力腐蝕能力。

研究發(fā)現(xiàn)，想要降低7075 鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感度，就要從合金的晶界結(jié)構(gòu)入手，一些分子，在通過(guò)原子的吸引后，聚集在一起，才產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象?，F(xiàn)在，我們將這些分子稱為β。在經(jīng)過(guò)雙級(jí)時(shí)效的熱處理狀態(tài)后，晶界結(jié)構(gòu)中析出一些物質(zhì)，起到強(qiáng)化作用。這些物質(zhì)將結(jié)構(gòu)中原有的分子β，進(jìn)行了一定程度的隔離，保持了晶界結(jié)構(gòu)內(nèi)β 的合理分布，減緩聚集的程度，從而降低了7075 鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感度。通過(guò)觀察，直接進(jìn)行雙時(shí)效處理時(shí)，顯示的分子β 聚集現(xiàn)象依舊比較嚴(yán)重。但是先進(jìn)行固溶處理和分級(jí)淬火，然后開(kāi)始雙時(shí)效處理，所顯示的結(jié)果就是，晶界結(jié)構(gòu)中分子β 分布較均勻，這種情況可能是由于前兩種處理狀態(tài)，造成了一種物質(zhì)生成的傾向，這種物質(zhì)就是阻礙分子β 聚集的因素。再結(jié)合后續(xù)的雙級(jí)時(shí)效處理，這種物質(zhì)開(kāi)始完全產(chǎn)生，從而提升了合金的耐應(yīng)力腐蝕能力。在一級(jí)時(shí)效狀態(tài)下，7075 鋁合金的強(qiáng)度達(dá)到了很高的數(shù)值，然而其析出阻礙β 聚合的物質(zhì)較少，應(yīng)力腐蝕性還比較大。但是，二級(jí)時(shí)效對(duì)于合金組織分解、強(qiáng)化產(chǎn)生較大作用，對(duì)耐蝕性的影響巨大。在經(jīng)過(guò)合理的雙時(shí)效熱處理狀態(tài)參數(shù)后，7075 鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能大幅度提升。與此同時(shí)，合金的強(qiáng)度、韌性依舊很高。

在評(píng)價(jià)材料的應(yīng)力腐蝕性時(shí)，通常我們會(huì)根據(jù)慢應(yīng)變速率拉伸進(jìn)行測(cè)試，再根據(jù)公式處理得到相數(shù)據(jù)。數(shù)值越大，代表材料的應(yīng)力腐蝕性越高。計(jì)算公式是：

Q=1-[Tc×（1+Zo）]/ [Ti×（1+Ze）]

公式中Q 代表應(yīng)力腐蝕指數(shù)，Tc 表示斷裂強(qiáng)度在環(huán)境介質(zhì)中顯示的數(shù)值，Ti 代表的也是斷裂強(qiáng)度，但是所處介質(zhì)為惰性，Zo 與Ze 分別代表斷裂伸長(zhǎng)率。通過(guò)公式的計(jì)算，我們可以明顯得出，固溶處理與雙時(shí)效處理結(jié)合狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕指數(shù)為0.135，傳統(tǒng)的T6 熱處理狀態(tài)下為0.803，G73 的為0.453，通過(guò)對(duì)比，本文提出的方式：固溶處理+分級(jí)淬火+(110±6) ℃×（3-4）h+(180±6) ℃×（13-14）h 雙級(jí)時(shí)效，明顯提升了7075 鋁合金的耐應(yīng)力腐蝕性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所針對(duì)的是7075 鋁合金不同熱處理狀態(tài)下的性能研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)觀察，挖掘7075 鋁合金的最佳熱處理方式，本文的研究結(jié)果，最大程度的完成了合金性能地提升，解決了傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，為7075 鋁合金材料的推廣產(chǎn)生了推動(dòng)作用。