袁 輝，趙作福，趙宇擎，李紀(jì)元，許園標(biāo)

航空用7050鋁合金熱處理工藝的研究進(jìn)展

袁 輝，趙作福，趙宇擎，李紀(jì)元，許園標(biāo)

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

7050鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)時(shí)效硬化型鋁合金，由于其具有高硬度、高塑性以及良好的耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身、桁條加強(qiáng)框、梁、接頭等主承力結(jié)構(gòu)件。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整固溶時(shí)效工藝參數(shù)，可以提高7050鋁合金的綜合性能。如經(jīng)202℃×12 h+482 ℃×90 min固溶與121 ℃×6 h+177 ℃×12 h時(shí)效結(jié)合后鋁合金的綜合性能最好。因此，本文對(duì)7050鋁合金固溶時(shí)效工藝方式和工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

7050鋁合金；固溶時(shí)效；組織；性能

隨著我國航空航天科技的快速發(fā)展，對(duì)材料的綜合性能提出了更高的要求。7050鋁合金作為一種可熱處理超高強(qiáng)鋁合金，具有強(qiáng)度、硬度高，塑性及耐磨耐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、框架、螺旋槳、油箱和起落架支柱等結(jié)構(gòu)中[2]。但在固溶階段存在著，隨著固溶溫度升高，再結(jié)晶程度加劇。時(shí)效階段存在著，隨著時(shí)效溫度升高，鋁合金硬度、強(qiáng)度提高，耐蝕性下降。因此，需確定較優(yōu)的固溶與時(shí)效工藝參數(shù)，為7050鋁合金實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論支撐。

1 固溶處理

1.1 單級(jí)固溶

幾十年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)固溶處理制度進(jìn)行不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)。20世紀(jì)70年代初，美國科學(xué)家Lukasak[3]在7075鋁合金基礎(chǔ)上，通過提高Cu/Mg及用微量元素Zr替代Cr，研制出了高強(qiáng)、高韌、耐蝕的7050鋁合金。2011年，Xu等[4]用掃描電鏡（SEM，下同），金相顯微鏡（OM，下同）觀察不同溫度下固相的溶解程度并得出結(jié)論，在保證不過燒的前提下，單級(jí)固溶處理可將合金中的η相完全溶解，但S相無法充分溶解。次年，韓念梅等[5]采用單級(jí)固溶（470 ℃×2.5 h）與雙級(jí)時(shí)效相結(jié)合，對(duì)飛機(jī)蒙皮、框架用7050鋁合金進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為543 MPa和510 MPa，斷裂韌性在480 ℃達(dá)到峰值為36.8 MPa·m1/2。2013年，宋豐軒等[6]采用（473 ℃×1 h）單級(jí)固溶與121 ℃×24 h時(shí)效處理工藝相結(jié)合，研究了7050鋁合金第二相的演變，分析認(rèn)為，在SEM下觀察到基體中含有S相和Al7Cu2Fe相，而η相已完全溶解，第二相體積分?jǐn)?shù)約為3.6%。為了使第二相充分溶解的同時(shí)保證具有較低的再結(jié)晶程度。2020年，張洪靜等[7]采用202 ℃×12 h低溫預(yù)處理與（482 ℃×90 min）單級(jí)固溶相結(jié)合，對(duì)飛機(jī)梁、接頭等主承力結(jié)構(gòu)件用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在掃描電鏡下觀察到鋁合金發(fā)生回復(fù)，抑制了再結(jié)晶發(fā)生，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為559.5 MPa和500 MPa。

1.2 雙級(jí)固溶

雙級(jí)固溶可以突破單級(jí)固溶中溫度的限制，基本消除粗大第二相，獲得較小的晶粒尺寸，從而進(jìn)一步提高鋁合金的綜合性能。2012年，韓念梅等[5]采用（450 ℃×1.5 h＋480 ℃×0.5 h）雙級(jí)固溶與雙級(jí)時(shí)效相結(jié)合，對(duì)波音777客機(jī)壁板用7050鋁合金進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，樣品中的亞晶尺寸為1～3 μm，根據(jù)能譜分析儀測(cè)得粗大第二相體積分?jǐn)?shù)僅為1%。次年，宋豐軒等[6]采用（473 ℃×1 h＋483 ℃×30 min）雙級(jí)固溶與單級(jí)時(shí)效相結(jié)合對(duì)7050鋁合金抗應(yīng)力腐蝕性能進(jìn)行了研究，根據(jù)慢應(yīng)變速率拉伸曲線得出，此時(shí)應(yīng)力腐蝕敏感因子較小為0.0465，合金的抗應(yīng)力腐蝕性較好。2016年，劉浩等[8]采用（450 ℃×1.5 h＋495 ℃×1 h）固溶與雙級(jí)時(shí)效相結(jié)合研究了7050鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能，通過能譜分析儀測(cè)得粗大第二相體積分?jǐn)?shù)為0.19%?？估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為655 MPa和694 MPa。

1.3 逐級(jí)固溶

雙級(jí)固溶可突破溫度的限制，提高固溶溫度，基本可以消除粗大第二相，但同時(shí)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和亞晶尺寸增大，導(dǎo)致合金強(qiáng)度和斷裂韌性下降。為了盡可能的減小上述矛盾出現(xiàn)，科研工作者發(fā)現(xiàn)了更為優(yōu)化的逐級(jí)固溶處理工藝。宋豐軒等[6]對(duì)7050鋁合金的第二相演變采用逐級(jí)固溶與單級(jí)時(shí)效結(jié)合的方式，經(jīng)分析認(rèn)為，透射電鏡已檢測(cè)不到S相，僅有少量的Al7Cu2Fe相。張新明[9]進(jìn)一步表明，當(dāng)多級(jí)強(qiáng)化固溶的最后一級(jí)固溶溫度設(shè)定在493 ℃時(shí)，該合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到534.0 MPa、屈服強(qiáng)度為500.6 MPa，其斷裂韌性最大值達(dá)到37.4 MPa·m1/2。

2 時(shí)效處理

2.1 單級(jí)時(shí)效

2009年，鄧運(yùn)來等[10]采用單級(jí)固溶與120 ℃×24 h時(shí)效相結(jié)合，利用末端淬火實(shí)驗(yàn)研究了7050鋁合金淬透層的深度，此時(shí)7050鋁合金淬透層深度提高了36％。同年4月，Li等[11]在不同時(shí)效溫度下采用單級(jí)時(shí)效方式研究了7050鋁合金的強(qiáng)度和硬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)效工藝為120 ℃×24 h時(shí)，該合金強(qiáng)度硬度較高。2011年，王洪斌等[12]采用470 ℃×1 h固溶結(jié)合時(shí)效溫度為160 ℃，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)F-22桁條用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)效溫度為120 ℃時(shí)，晶內(nèi)主要強(qiáng)化相為GP區(qū)和η' 相，晶界為連續(xù)鏈狀分布的η相和η' 相。當(dāng)時(shí)效溫度為160 ℃時(shí)，晶內(nèi)主要強(qiáng)化相為η' 相和η相，晶界為η相，且尺寸明顯長大。次年，賈科等[13]采用單級(jí)固溶工藝在不同時(shí)效溫度下（120、150、180 ℃）研究了7050鋁合金晶間腐蝕性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析認(rèn)為，晶界析出相越大，不連續(xù)分布和PFZ寬化時(shí)合金的抗腐蝕性能越好。2019年，崔振華等[14]采用（475 ℃×1 h）單級(jí)固溶與不同時(shí)效工藝（120 ℃×24 h、140 ℃×12 h、160 ℃×2 h）相結(jié)合，對(duì)飛機(jī)梁、接頭等主承力結(jié)構(gòu)件用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著時(shí)效溫度的升高，晶界析出相連續(xù)粗化，合金抗晶間腐蝕性能下降。同年10月，李海等[15]采用490 ℃×1 h固溶與120 ℃×24 h時(shí)效相結(jié)合研究了7050鋁合金的晶間腐蝕性能。研究表明，當(dāng)固溶溫度高于490 ℃時(shí)，該合金晶間腐蝕性能逐漸降低。

2.2 雙級(jí)時(shí)效

由于單級(jí)時(shí)效抗腐蝕能力較低，為了提高鋁合金抗應(yīng)力腐蝕能力，人們開始了雙級(jí)時(shí)效的探索。2006年，田福泉等[16]采用單級(jí)固溶（470 ℃×50 min）結(jié)合一級(jí)時(shí)效（120 ℃×6 h）、二級(jí)時(shí)效溫度165 ℃，研究了在不同時(shí)效時(shí)間下7050鋁合金的電導(dǎo)率，當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為165 ℃×16 h時(shí)，該合金強(qiáng)度為551 MPa，電導(dǎo)率為40.6% IACS。2011年，馮朝輝等[17]采用475 ℃×2 h固溶與120 ℃×4 h＋（160、163 ℃）下保溫30 h，165 ℃下分別保溫（24, 26, 28, 30 h）相結(jié)合，對(duì)飛機(jī)翼板用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在第二級(jí)時(shí)效溫度相同的情況下,隨著時(shí)效時(shí)間的延長,沉淀相連續(xù)粗化且間距增大。同年8月，任建平等[18]采用470 ℃×70 min固溶，110 ℃×8 h與120 ℃×8 h一級(jí)時(shí)效，二級(jí)時(shí)效溫度為(150，160 ℃)的長時(shí)間時(shí)效對(duì)7050鋁合金強(qiáng)度與硬度進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，該合金強(qiáng)度和硬度都出現(xiàn)雙峰，第二峰強(qiáng)度硬度值高于第一峰。2014年，蔣源等[19]采用（470 ℃×70 min）單級(jí)固溶結(jié)合雙級(jí)時(shí)效（一級(jí)時(shí)效（120 ℃×10 h）二級(jí)時(shí)效溫度165 ℃），對(duì)飛機(jī)起落架接頭用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著第二級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間的延長，該合金硬度和拉伸性能下降，晶界析出相呈現(xiàn)粗大斷續(xù)特性，抗剝落腐蝕性能提高。次年，趙鳳等[20]采用雙級(jí)固溶結(jié)合一級(jí)時(shí)效（120 ℃×24 h）二級(jí)時(shí)效溫度163 ℃，研究了在不同時(shí)效時(shí)間下7050鋁合金的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明，在120 ℃×24 h+163 ℃×(15～24) h雙級(jí)時(shí)效工藝下，該合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為554 MPa和508 MPa。2016年，孫燕等[21]采用單級(jí)固溶與（115～135）℃×4 h＋160 ℃×（3～6）h雙級(jí)時(shí)效相結(jié)合，對(duì)機(jī)翼上方機(jī)身框用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)固溶為470 ℃×60 min、時(shí)效為（120 ℃×4 h+160 ℃×3 h）時(shí)，合金硬度最大。次年，陳一進(jìn)等[22]采用雙級(jí)固溶與（120 ℃×8 h＋160 ℃×（0-8）h）雙級(jí)時(shí)效相結(jié)合研究了7050鋁合金的力學(xué)性能和耐蝕性能，研究結(jié)果表明，當(dāng)雙級(jí)固溶工藝為（450 ℃×1.5 h+495 ℃×1 h），且雙級(jí)時(shí)效工藝為（120 ℃×8 h+160 ℃×8 h）時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為689.4 MPa和12.72％。2019年，Chen等[23]采用雙級(jí)固溶與（120 ℃×6 h＋175 ℃×8 h）時(shí)效相結(jié)合，對(duì)機(jī)身桁條、隔框等結(jié)構(gòu)件用7050鋁合金進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該合金晶界析出相發(fā)生粗化且PFZ寬化，疲勞裂紋擴(kuò)展能力較差。2021年，何維維等[24]在T73、T74、T76時(shí)效態(tài)下研究了7050鋁合金力學(xué)性能和斷裂韌性，研究結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在T76態(tài)下較高，在T73態(tài)下較低。晶界析出相和位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生斷裂，過時(shí)效程度越深，韌窩的數(shù)量越多，尺寸越大。同年5月，張新全等[25]采用（465 ℃×4 h＋470 ℃×2 h）固溶處理，再進(jìn)行一級(jí)時(shí)效120 ℃×6 h，研究了二級(jí)時(shí)效溫度155～175 ℃，且時(shí)效時(shí)間區(qū)間在0～36 h時(shí)，7050鋁合金的組織和電導(dǎo)率。經(jīng)分析認(rèn)為，在T74態(tài)時(shí)效下，當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度155 ℃×24 h時(shí)電導(dǎo)率較高，η相＋η＇相為晶界內(nèi)主要析出強(qiáng)化相。

2.3 回歸時(shí)效

雙級(jí)時(shí)效是在犧牲強(qiáng)度的條件下來提高合金耐腐蝕性能，為了獲得較高耐蝕性能的同時(shí)，強(qiáng)度也能得到一定保障?？蒲腥藛T探索了一種新的時(shí)效工藝，即回歸時(shí)效。2004年，曾渝等[26]采用雙級(jí)固溶處理后，研究了在不同回歸溫度下，保溫120 min條件下，對(duì)機(jī)身、桁條、機(jī)翼用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在預(yù)時(shí)效120 ℃×24 h，回歸180 ℃×60 min，再時(shí)效120 ℃×24 h時(shí)合金強(qiáng)度較高；同時(shí)，延長回歸時(shí)間，有利于鋁合金強(qiáng)度的提高。同年10月，Oliveira等[27]采用單級(jí)固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效120 ℃×24 h，回歸溫度為200 ℃結(jié)合，再時(shí)效120 ℃×24 h，研究了不同回歸時(shí)間7050鋁合金力學(xué)性能和耐腐蝕性能，研究結(jié)果表明，該合金強(qiáng)度與T6態(tài)時(shí)效強(qiáng)度一致，抗應(yīng)力腐蝕性能與T7態(tài)時(shí)效性能相同。2010年，Marlaud等[28]采用470 ℃×4 h固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效150 ℃×8 h，回歸120 ℃×6 h，再時(shí)效135 ℃×12 h，研究了7050鋁合金析出相的顯微組織。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該合金顯微組織中呈現(xiàn)出細(xì)小團(tuán)簇，且溶質(zhì)分布差異較大，晶內(nèi)析出相的成分元素包含Cu和Zn元素。次年，Han等[29]采用單級(jí)固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效120 ℃×20 h，回歸190 ℃×1 h，再時(shí)效120 ℃×24 h，研究了7050鋁合金的組織和斷裂性能。研究結(jié)果表明，此時(shí)合金晶內(nèi)析出相粗大，晶界析出相體積分?jǐn)?shù)下降，強(qiáng)度降低了3.5％，但斷裂韌性有所提升。2012年，高利芳等[30]采用（450 ℃×2h＋470 ℃×1 h）固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效100 ℃×24 h，回歸170 ℃×120 min，再時(shí)效100 ℃×24 h，研究了7050鋁合金的晶間腐蝕和抗剝落腐蝕性能。研究表明，合金晶界析出相具有粗大不連續(xù)分布特性，無沉淀析出帶寬化，因此合金具有優(yōu)越的抗剝落腐蝕性能。次年1月，辛星等[31]采用雙級(jí)固溶后，進(jìn)行20 h預(yù)時(shí)效，在不同時(shí)效溫度下保溫3 h進(jìn)行回歸處理，再時(shí)效120 ℃保溫24 h，對(duì)F-35戰(zhàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)用7050鋁合金進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度大于120 ℃時(shí)，晶內(nèi)析出強(qiáng)化相為η＇相，此時(shí)合金抗應(yīng)力腐蝕性能較高。當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度小于120 ℃時(shí)，合金的抗應(yīng)力腐蝕敏感性較低。2021年，曾翠婷等[32]采用固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效120 ℃×24 h，在190 ℃下結(jié)合不同時(shí)間進(jìn)行回歸處理，再時(shí)效120 ℃×24 h，對(duì)飛機(jī)加強(qiáng)框、梁、接頭等主承力結(jié)構(gòu)件用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，晶內(nèi)較小的析出相隨著回歸時(shí)間延長而發(fā)生回溶，尺寸較大的析出相繼續(xù)長大，晶界析出相呈現(xiàn)斷續(xù)粗化特性。再時(shí)效階段，隨著回歸時(shí)間延長，斷裂韌性增大，斷裂形式從沿晶斷裂向穿晶韌窩斷裂轉(zhuǎn)變。

2.4 間斷時(shí)效

2005年，Lumley等[33]采用固溶處理后，一級(jí)時(shí)效溫度177 ℃在不同時(shí)效時(shí)間（10、20、30、60 min）下與二級(jí)時(shí)效溫度185 ℃結(jié)合不同時(shí)效時(shí)間（2、4 h），研究了7050鋁合金的強(qiáng)度和斷裂韌性，經(jīng)分析認(rèn)為，與T6態(tài)時(shí)效相比，強(qiáng)度和斷裂韌性均得到顯著提高。2009年，楊新鵬等[34]采用475 ℃×1 h固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效120 ℃結(jié)合不同時(shí)效時(shí)間，二次時(shí)效60 ℃結(jié)合不同時(shí)效時(shí)間，間斷時(shí)效120 ℃×（0～20）h，對(duì)波音777客機(jī)機(jī)翼用7050鋁合金進(jìn)行了研究。研究顯示，當(dāng)溫度為120 ℃時(shí)，預(yù)時(shí)效時(shí)間越長，合金的電導(dǎo)率越高。再時(shí)效為120 ℃×24 h時(shí)的電導(dǎo)率與T6峰值時(shí)效一致。T616時(shí)效的斷裂形式為韌窩型穿晶斷口。2012年，韓念梅等[35]采用（450 ℃×1.5 h＋480 ℃×0.5 h）固溶處理后，進(jìn)行預(yù)時(shí)效120 ℃，二級(jí)時(shí)效溫度為65、85 ℃的T614時(shí)效研究了7050鋁合金的強(qiáng)度和斷裂韌性，結(jié)果表明，一級(jí)時(shí)效溫度為120 ℃，二級(jí)時(shí)效溫度為65 ℃時(shí)，該合金的力學(xué)性能較好；當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間延長時(shí)，合金的強(qiáng)度先增大后減小，斷裂韌性與此相反。2016年，陳宇強(qiáng)等[36]采用475 ℃×1 h的固溶處理，再進(jìn)行120 ℃×0.5 h＋65 ℃×240 h的一級(jí)、二級(jí)時(shí)效工藝，最后在120 ℃時(shí)進(jìn)行三級(jí)時(shí)效，對(duì)C17運(yùn)輸機(jī)蒙皮用7050鋁合金進(jìn)行了研究。經(jīng)分析認(rèn)為，與T6態(tài)時(shí)效相比，T616峰時(shí)效合金強(qiáng)度、伸展率顯著提高，而T614峰時(shí)效時(shí)，該合金伸長率提高的同時(shí)，強(qiáng)度有所下降，兩者晶內(nèi)分布著密度較高的η＇相，晶界的η相分布不連續(xù)。

3 展望

本文主要介紹了7050鋁合金固溶和時(shí)效工藝的研究進(jìn)展，意在固溶階段使得粗大第二相充分溶解，獲得過飽和固溶體，在時(shí)效階段析出細(xì)小彌散的第二相，使得鋁合金得到強(qiáng)化。以期通過優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，如適當(dāng)提高固溶或時(shí)效溫度，使得鋁合金強(qiáng)度保持在559.5 MPa的同時(shí)第二相體積分?jǐn)?shù)控制在1%以內(nèi)，從而提高飛機(jī)蒙皮、框架、螺旋槳、油箱和起落架支柱等結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

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Research Progress of Heat Treatment process of 7050 Aluminum Alloy for Aviation

YUAN Hui, ZHAO Zuo-fu, ZHAO Yu-qing, LI Ji-yuan, XU Yuan-biao

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

7050 aluminum alloy belongs to Al-Zn-Mg-Cu ultra-high strength age hardening aluminum alloy, it is widely used in aircraft fuselage, stringer reinforcing frame, beam, joint and other main load-bearing structural parts, because of its high hardness, high plasticity, and good corrosion resistance. The comprehensive properties of 7050 aluminum alloy can be improved by proper adjustment of solution and aging process parameters. For example, the comprehensive properties of aluminum alloy are the best by solution(202 ℃×12 h+482 ℃×90 min) and aging(121 ℃×6 h+177 ℃×12 h). Therefore, the various solution and aging process methods and process parameters are described in detail in this paper.

7050 aluminum alloy; solid solution aging; organization; performance

10.15916/j.issn1674-3261.2022.04.003

TG166.3

A

1674-3261(2022)04-0223-05

2022-03-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51601086）；遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目（2022-MS-381）

袁 輝(1996-)，男，江蘇徐州人，碩士生。

趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士。

責(zé)任編輯：劉亞兵