李慎蘭，劉傳生，邱曉慧，徐麗萍

(1.廣州民航職業(yè)技術學院 飛機維修工程學院，廣東廣州 510470；2. 廣東省新材料研究所 現代材料表面工程技術國家工程實驗室，廣東 廣州 510651)

7×××系鋁合金由于具有比強度高、塑性好以及加工性能優(yōu)良等特點被廣泛應用于航空航天和軌道交通運輸等領域[1-3]。7×××鋁合金作為時效強化型鋁合金，時效工藝對其性能的提高起著至關重要的作用。為了獲得最佳的綜合性能，對7×××鋁合金熱處理工藝的研究和改進成為業(yè)界關注的焦點。許多學者在7×××鋁合金的時效處理工藝方面做了大量研究。對7A85鋁合金的時效工藝研究發(fā)現[4]，經過470℃2 h+120℃30 h雙級時效處理后，7A85鋁合金可以在保持良好力學性能的同時，提高耐晶間腐蝕的能力。張洪輝[5]研究了不同時效制度對7003-T5鋁合金擠壓型材力學性能的影響，發(fā)現雙級人工時效制度105℃5 h+155℃6 h可得到優(yōu)良的綜合性能。馮迪[6]研究了預時效溫度和回歸加熱速度對7055鋁合金力學性能和電導率的影響，并討論了不同回歸再時效(RRA)制度下微觀組織的變化。通過對比研究T6、T73和RRA三種時效制度對7055鋁合金的力學性能、斷裂特征及顯微組織變化特征的影響[7]，發(fā)現RRA處理可以在保持T6狀態(tài)強度的同時，獲得較高的電導率，但材料的伸長率相對較低。

7003鋁合金屬于一種典型的中強度鋁合金，在 很多方面得到了廣泛應用。本試驗研究了不同時效工藝參數對7003鋁合金性能的影響，并通過透射電子顯微鏡(TEM)對顯微組織進行觀察和分析，探討了組織和性能的變化規(guī)律，旨在優(yōu)化出7003鋁合金的時效制度，為該合金的熱處理工藝優(yōu)化和合金顯微組織研究提供理論依據和試驗指導。

1 試驗材料及方法

試驗用7003鋁合金鑄錠經過均勻化處理后，用8 MN臥式擠壓機進行擠壓，得到壁厚為5 mm的板材，其化學成分如表1所示。

表1 7003鋁合金的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of the experimental 7003 aluminum alloy(wt/%)

將合金在480℃固溶50 min后，分別進行自然時效T4、單級峰時效T6、雙級時效T53和三級回歸再時效RRA，具體時效工藝參數如表2所示。

固溶處理在SX2-8-10型馬弗爐中進行。時效處理在101-1型鼓風電熱恒溫干燥箱中進行。室溫力學性能測試在SANS 100 kN電子萬能材料試驗機上完成，拉伸速度為2 mm/min。晶間腐蝕按照標準GB/T 7998-2005進行，腐蝕介質為(57 g NaCl+10 mL 30% H2O2)/L的IGC溶液，試驗溫度為35℃，試驗時間6 h，截取腐蝕試樣橫斷面在Leica金相顯微鏡上觀察晶間腐蝕形貌。晶間腐蝕試樣沿擠壓方向截取，以垂直于擠壓方向的合金平面作為腐蝕面。采用D60K數字金屬導電率測量儀分別對不同時效狀態(tài)下合金進行導電率測試。硬度測試在WOLPERT 401MVD型數顯維氏硬度計上進行，加載載荷為9.8 N，保荷時間為10 s，每個試驗點測量至少5個以上的數據取平均值。TEM顯微組織觀察在TECNAI G220型透射電鏡上進行，加速電壓為200 kV。透射電鏡樣品直徑為3 mm，厚度為0.08 mm，在含25% HNO3(體積分數)的甲醇溶液中進行雙噴減薄，溫度控制在-25℃以下，電壓為15 V～20 V，電流為60 mA～80 mA。

表2 各種時效制度的具體參數Table 2 Aging process parameters

2 結果與分析

2.1 時效制度對7003鋁合金力學性能和導電率的影響

7003鋁合金經過480℃50 min固溶處理后，分別進行自然時效(T4)、120℃24 h單級峰時效(T6)、105℃8 h+145℃8 h雙級時效(T53)、120℃24 h+175℃1.5 h+120℃24 h回歸再時效(RRA-1)以及120℃24 h+175℃1.5 h(然后室溫停放三天)+120℃24 h回歸再時效(RRA-2)5種時效工藝處理。不同時效工藝處理后的力學性能和導電率測試結果如表3所示。從表3可以看出，按照T4→T6→T53→RRA-2的順序，合金的抗拉強度依次下降，屈服強度依次上升，導電率依次升高；T4狀態(tài)下的伸長率最高，T6狀態(tài)下的伸長率最低；未經停放的回歸再時效(RRA-1)狀態(tài)下抗拉強度和屈服強度均偏低，但導電率卻最高。

表3 不同時效制度下7003鋁合金力學性能和導電率Table 3 Mechanical properties and conductivities of the 7003 aluminum alloy under different aging systems

一般情況下7×××系鋁合金自然時效狀態(tài)的強度均低于人工時效狀態(tài)的。但本試驗用7003鋁合金T4狀態(tài)下的抗拉強度最高，達到428 N/mm2，T6狀態(tài)下的抗拉強度降到410 N/mm2；伸長率則從18%降到13.7%；屈服強度大幅提升，從270 N/mm2提高到345 N/mm2。黃英等人[8]對7N01鋁合金的研究也發(fā)現類似的現象。對Al-9.88Zn-2.40Mg-2.32Cu-0.12Zr合金的研究結果表明[9]，經過 RRA處理后，抗拉強度沒有降低，屈服強度甚至有所提高，但伸長率卻降低非常明顯，認為RRA處理工藝對合金的塑性不利。本試驗對7003鋁合金經過RRA-2處理后，其抗拉強度比T6狀態(tài)的略有下降，但屈服強度卻略有升高，伸長率和導電率則分別從13.7%和34.6 %IACS大幅升高到17.5%和36.9%IACS。由此可見，本試驗中7003鋁合金的強度和導電率的變化與文獻中的相似，但RRA處理之后其伸長率有所升高，表明RRA處理工藝對合金的塑性不利并不能指所有的7×××系鋁合金。

對于7×××系鋁合金，其應力腐蝕與導電率之間是緊密相關的，導電率越高，抗應力腐蝕性能越好[10]，因此可以用導電率來間接反映材料的抗應力腐蝕能力。由表3可見，RRA-1狀態(tài)下導電率雖然很高，但屈服強度比T53狀態(tài)的明顯低?？梢?，RRA-2時效和T53雙級時效的合金在保持較高屈服強度的前提下，還具備較高的導電率，具有較好的抗應力腐蝕性能。

2.2 時效制度對7003鋁合金晶間腐蝕性能的影響

7003鋁合金經過不同時效工藝處理后的晶間腐蝕形貌如圖2所示，對應的晶間腐蝕深度及評級見表4。由圖2及表4可知，在5種時效工藝中，試驗合金的最大腐蝕深度從高到低的順序為： T6、T4、T53、RRA-1和RRA-2。在T6、T4和T53狀態(tài)下，晶間腐蝕都處于3級，其中T6狀態(tài)合金的晶間腐蝕情況最嚴重，最大腐蝕深度達到59 μm。RRA-2時效工藝下，晶間腐蝕敏感性最低，其最大腐蝕深度僅為10 μm，晶間腐蝕能夠控制在1級之內。由此可見，通過RRA-2處理，7003鋁合金的晶間腐蝕性能得到了較明顯的改善。

表4 不同時效制度下7003鋁合金的最大晶間腐蝕深度及評級Table 4 Maximum intergranular corrosion depths and grades of 7003 aluminum alloy under different aging systems

2.3 不同時效制度的TEM組織及其性能

7×××鋁合金的性能主要是由析出相的數量、種類、大小、分布以及晶界特征如PFZ寬度和晶界析出相是否連續(xù)等因素決定。其中，晶內析出相決定合金的強化，晶界析出相決定合金的應力腐蝕開裂傾向[11-12]。此外，沉淀強化理論認為，合金發(fā)生變形時位錯與粒子之間的交互作用方式有切割和繞過兩種機制，取決于不同時效態(tài)析出物的性質[13]。

不同時效制度下7003鋁合金晶內和晶界的TEM透射電鏡形貌如圖2所示。在T4狀態(tài)下，如圖2a、b所示，合金基體中的晶內析出相主要為與基體完全共格的GP區(qū)為主，變形時位錯切割GP區(qū)，因此屈服強度較低。此外，晶界上析出了連續(xù)分布的細小η相，未見明顯的無沉淀析出帶(PFZ)。這樣的晶界特征使得作為陽極的晶界會發(fā)生連續(xù)溶解，形成連續(xù)腐蝕通道，因此合金的抗腐蝕性能較低，合金的導電率最低。

T6狀態(tài)下主要晶內強化相為均勻彌散分布的GP區(qū)和η′相(如圖2c、d)，η′相與基體保持半共格關系，強度較高，變形時不容易被位錯切割，因此其屈服強度比T4狀態(tài)的有大幅提高。晶界析出相仍表現為鏈狀連續(xù)分布，但其析出相的尺寸比T4狀態(tài)的略大，而且出現了明顯的PFZ，因此其應力腐蝕抗力要比T4狀態(tài)的稍好，其導電率要比T4狀態(tài)的稍高。

T53雙級時效工藝的晶內析出相與T6狀態(tài)相似，但晶界析出相略有長大，且呈不連續(xù)分布， PFZ略微變寬(如圖2e和f)。不連續(xù)分布的晶界析出相在應力腐蝕開裂過程中能阻礙陽極通道的形成，有利于提高合金的抗應力腐蝕性能[14]，因此T53狀態(tài)的合金導電率要比T6狀態(tài)的高。

RRA-1三級時效狀態(tài)下，如圖2g、h所示，組織與雙級和單級時效時明顯不同，晶內η′相尺寸明顯增大，析出相的數量明顯減少，并有少量的η相存在。晶界析出相長大粗化，PFZ變寬。RRA-2三級時效狀態(tài)下，如圖2i、j所示，晶內組織與T6狀態(tài)的類似，但晶界析出相細小呈斷續(xù)分布，PFZ明顯變寬。這是由于回歸處理后在室溫停放三天(RRA-2)，晶內出現大量細小彌散與基體完全共格的球形GP區(qū)，可作為后續(xù)時效析出的形核核心，因此回歸后經過停放的合金晶內析出相彌散度增加，析出相細小，強度較高。對于7×××系鋁合金抗晶間腐蝕性能的研究認為， 晶界PFZ的存在有利于抗晶間腐蝕性能的提高。試驗用7003鋁合金經過RRA-2處理之后，其PFZ明顯加寬，因此其抗晶間腐蝕性能最好。

3 結 論

1)試驗用7003鋁合金經過不同時效制度后，按照T4→T6→T53→RRA-2的順序，抗拉強度依次下降，屈服強度依次上升，導電率依次升高；T4狀態(tài)下的伸長率最高，T6狀態(tài)下的伸長率最低；回歸后未經室溫停放的RRA-1狀態(tài)下抗拉強度和屈服強度均偏低，但導電率卻最高；回歸后經室溫停放三天的RRA-2狀態(tài)下抗晶間腐蝕性能最好。

2)T4狀態(tài)下晶內析出相主要以GP區(qū)為主，T6、T53以及RRA-2狀態(tài)的晶內析出相以GP區(qū)和η′相為主，RRA-1狀態(tài)下，晶內η′相明顯長大。PFZ寬度則按照T4、T6、T53、RRA-1和RRA-2的順序依次增加。

3)120℃24 h+175℃1.5 h(然后室溫停放三天)+120℃24 h回歸再時效(RRA-2)處理工藝，是提高試驗用7003鋁合金綜合性能的有效途徑。