歐陽(yáng)軼，邢少敏

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心，陜西 閻良 710089)

Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金作為輕質(zhì)的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]，制作航空器的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)翼外翼梁，主起落架梁，前起落架動(dòng)作筒，垂尾接頭等部件[3]。7B50鋁合金是我國(guó)研制的新型鋁合金材料之一，經(jīng)形變熱處理后具有優(yōu)良的綜合性能。該合金具有高的韌性，優(yōu)異的淬透性，良好的焊接性能和耐腐蝕性能。我國(guó)某型飛機(jī)研制首次選用7B50鋁合金厚板、擠壓材。

7B50鋁合金作為一種可熱處理強(qiáng)化型合金，固溶處理和時(shí)效處理是Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)合金改善性能的關(guān)鍵[4]。本試驗(yàn)對(duì)7B50-W511鋁合金材料熱處理的工藝進(jìn)行研究，對(duì)7B50-W511鋁合金材料進(jìn)行熱處理驗(yàn)證性試驗(yàn)，并對(duì)不同狀態(tài)的試樣的導(dǎo)電率和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證7B50-W511鋁合金不同時(shí)效狀態(tài)的適用性。

1 試驗(yàn)方法

工藝驗(yàn)證材料為7B50-W511鋁合金T型型材(壁厚為3.0 mm，筋厚為5.0 mm)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。本次熱處理工藝驗(yàn)證分別對(duì)兩批次的7B50-W511鋁合金型材(001批和002批)分組采用雙級(jí)時(shí)效處理到T7351、T7451、T7651狀態(tài)，每組試驗(yàn)含有5個(gè)試樣。工藝流程如圖1所示。

表1 7B50-W511鋁合金型材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 7B50 aluminum alloy profile

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

雙級(jí)時(shí)效工藝方案如表2所示。所有試樣先在硝鹽槽中進(jìn)行465 ℃30 min固溶處理。固溶處理后水淬，整個(gè)冷卻過(guò)程中水溫保持在10 ℃～40 ℃，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)15 s。之后在熱水槽中洗滌1 min～2 min，水溫40 ℃～60 ℃，室溫下自然時(shí)效2 h，經(jīng)1%～3%拉伸消除應(yīng)力。最后將試樣分為3組在空氣電阻爐中進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效：一級(jí)時(shí)效溫度均為121 ℃，時(shí)間為6 h；二級(jí)時(shí)效溫度均為165 ℃，人工時(shí)效到T7351狀態(tài)的時(shí)間為15 h，人工時(shí)效到T7451狀態(tài)的時(shí)間為9 h，人工時(shí)效到T7651狀態(tài)的時(shí)間為5 h。試驗(yàn)完成后對(duì)所有試驗(yàn)樣進(jìn)行導(dǎo)電率、硬度、力學(xué)性能以及微觀組織檢測(cè)。

表2 7B50-W511鋁合金的時(shí)效工藝方案Table 2 Aging process of 7B50-W511 aluminum alloy

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)電率

超高強(qiáng)鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕能力與合金的導(dǎo)電率密切相關(guān)，合金導(dǎo)電率越高，其抗應(yīng)力腐蝕性能越好。因此采用導(dǎo)電率來(lái)間接表征合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

本試驗(yàn)選用Sigmatest D2.068型渦流導(dǎo)電率測(cè)量?jī)x對(duì)7B50鋁合金型材試樣進(jìn)行導(dǎo)電率測(cè)試。在每個(gè)試樣上分別選取3點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)電率值，取算術(shù)平均值為該試樣的導(dǎo)電率值，各試樣的平均導(dǎo)電率如圖2所示。

由圖2可知，001和002兩批次7B50-W511鋁合金型材時(shí)效到T7351狀態(tài)的導(dǎo)電率最高，約為40.30%IACS～41.11%IACS；時(shí)效到T7451狀態(tài)的導(dǎo)電率居中，約為38.67%IACS～39.56%IACS；時(shí)效到T7651狀態(tài)的導(dǎo)電率最低，約為35.71%IACS～36.30%IACS。

圖2 不同時(shí)效狀態(tài)(001、002是型材批次，下同)7B50鋁合金試樣的導(dǎo)電率Fig.2 Conductivity of 7B50 aluminum alloy samplesunder different aging conditions(001 and 002 are profile batch number,the same below)

按照復(fù)相合金理論，合金的導(dǎo)電率主要由基體的固溶度控制，導(dǎo)電率大小與其晶界及晶格畸變程度有關(guān)。在165 ℃二級(jí)時(shí)效時(shí)，固溶于基體的Mg、Zn等原子析出，使得基體內(nèi)部Mg、Zn元素減少，降低了基體的固溶度，使得基體的晶格畸變也隨之減小，并且隨著二級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶格內(nèi)應(yīng)力消除，從而使導(dǎo)電率呈單調(diào)增加趨勢(shì)；同時(shí)彌散相的析出使其對(duì)電子的散射作用增加，進(jìn)而降低導(dǎo)電率，然而在時(shí)效過(guò)程中，前者對(duì)導(dǎo)電率的影響往往大于后者的，因此溶質(zhì)原子析出越充分，基體越貧化，合金的導(dǎo)電率越高[5]。

2.2 硬度

硬度是材料的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，代表了材料抵抗變形或破壞的能力。本試驗(yàn)采用洛氏硬度來(lái)表示7B50鋁合金的硬度。所有試樣經(jīng)過(guò)固溶、雙級(jí)時(shí)效處理后進(jìn)行硬度檢測(cè)，每個(gè)試樣上分別選取3點(diǎn)測(cè)試硬度，3個(gè)測(cè)試值的算術(shù)平均值為該試樣的硬度值。

圖3為不同熱處理狀態(tài)下7B50鋁合金試樣的硬度。從001和002兩個(gè)批次的7B50鋁合金型材試樣的硬度可知，熱處理到T7351狀態(tài)的鋁合金硬度最低，約為85.33 HRB～86.53 HRB；熱處理到T7451狀態(tài)的鋁合金硬度居中，約為86.5 HRB～88.57 HRB；熱處理到T7651狀態(tài)的鋁合金硬度最高，約為89.27 HRB～91.3 HRB。

2.3 力學(xué)性能

本試驗(yàn)拉伸性能試驗(yàn)按GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)、使用型號(hào)MTS810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣尺寸如圖4所示。為確保拉伸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，每批次型材每組熱處理工藝條件分別取5個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6、7所示。

圖4 拉伸試樣尺寸(單位：mm)Fig.4 Dimension drawing of tensile specimen

圖5 不同時(shí)效狀態(tài)7B50鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of 7B50 aluminum alloy samplesunder different aging conditions

圖6 不同時(shí)效狀態(tài)7B50鋁合金試樣的屈服強(qiáng)度Fig.6 Yield strength of 7B50 aluminum alloy samples under different aging conditions

由圖5-7可知，T7351狀態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最低，分別為548 N/mm2～574 N/mm2和495 N/mm2～521 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率最高為13.4%～14.4%；T7451狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度居中，為575 N/mm2～605 N/mm2和531 N/mm2～560 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率居中為13.1%～13.6%；T7651狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，分別為601 N/mm2～633 N/mm2和566 N/mm2～596 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率居中為12.2%～12.9%。

圖7 不同時(shí)效狀態(tài)7B50鋁合金試樣的斷后伸長(zhǎng)率Fig.7 Elongation rate after fracture of 7B50 aluminum alloy samples under different aging conditions

不同時(shí)效狀態(tài)7B50鋁合金試樣的硬度和強(qiáng)度發(fā)生變化的原因是：在雙級(jí)時(shí)效中的第一級(jí)時(shí)效階段主要是為第二級(jí)時(shí)效提供細(xì)小彌散的GP區(qū)和η′相(MgZn2)，以便合金在高溫時(shí)效階段在亞晶界上形成尺寸較大的η′相(MgZn2)，在大角度晶界上形成粗大穩(wěn)定地η相(MgZn2)，使合金能保持較高的強(qiáng)度[6]。在165 ℃高溫時(shí)效時(shí)，主要發(fā)生亞穩(wěn)相向平衡相的轉(zhuǎn)變以及平衡相的粗化，這時(shí)位錯(cuò)線不再切過(guò)析出相，而采取繞過(guò)的方式移動(dòng)，由于繞過(guò)析出相所需的臨界切應(yīng)力比切過(guò)所需的切應(yīng)力低，因此隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相長(zhǎng)大，強(qiáng)化效果降低，強(qiáng)度和硬度下降[7-8]。

2.4 微觀組織

7B50鋁合金不同熱處理狀態(tài)試樣的微觀組織試驗(yàn)，按GB/T 3246.1《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法》和GB/T 7998《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)、采用奧地利產(chǎn)Polyvar-Met金相顯微鏡進(jìn)行。對(duì)7B50-T7351、T7451、T7651鋁合金試樣的微觀組織檢測(cè)結(jié)果顯示，各試樣均無(wú)共晶熔化、無(wú)高溫氧化、無(wú)晶間腐蝕敏感性。

3 結(jié) 論

1)采用固溶+雙級(jí)時(shí)效工藝將7B50鋁合金型材由W511固溶狀態(tài)時(shí)效到T7351、T7451、T7651狀態(tài)，其性能穩(wěn)定，無(wú)共晶熔化等現(xiàn)象，這些熱處理工藝具有適用性。

2)7B50-T7351鋁合金導(dǎo)電率約為40.30% IACS～41.11% IACS，硬度為85.33 HRB～86.53 HRB，抗拉強(qiáng)度為548 N/mm2～574 N/mm2，屈服強(qiáng)度為495 N/mm2～521 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率為13.4%～14.4%。

3)7B50-T7451鋁合金導(dǎo)電率為38.67% IACS～39.56% IACS，硬度為86.5 HRB～88.57 HRB，抗拉強(qiáng)度為575 N/mm2～605 N/mm2，屈服強(qiáng)度為531 N/mm2～560 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率為13.1%～13.6%。

4)7B50-T7651鋁合金導(dǎo)電率為35.71% IACS～36.30% IACS，硬度為89.27 HRB～91.3 HRB，抗拉強(qiáng)度為601 N/mm2～633 N/mm2，屈服強(qiáng)度為566 N/mm2～596 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率為12.2%～12.9%。

5)7B50-W511鋁合金型材經(jīng)不同時(shí)效工藝熱處理后，檢測(cè)表明所有試樣均無(wú)共晶熔化、無(wú)高溫氧化、無(wú)晶間腐蝕敏感性。