超高强铝合金热处理工艺探讨

余成远，石家平

（浙江万丰奥威汽轮股份有限公司，浙江 绍兴 312500）

1 超高强铝合金的发展

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金就是超高强铝合金，又称为7系铝合金，其优点就是强度、硬度、耐用性、经济性较好，又能够耐腐蚀，被航天航空领域广泛使用。超高强铝合金的研究路程较为坎坷，从1923年开始，外国科学家就对铝合金进行研究，通过加入各种元素来调整其硬度和强度等，虽然通过研究强度是加强了，但是其抗应力耐腐蚀性均无法达到实际应用的标准。国外的超高强铝合金研究主要方向都是想着高强度、高韧性、耐腐蚀性方向发展，其合金化程度越来越高，杂质含量越来越低，纯度越来越纯，各种元素搭配使其达到最优模式。

国内的超高强铝合金研究起步较晚，八十年代处开始研究高强高韧铝合金材质用于航空领域，投入大量的人力物力，到2000年我国超高强铝合金的发展程度已经达到了国外90年代中期的水平，在近十年中，我国更是致力于研究特高强度铝合金，目前研究取得了非常大的进展，技术领先于国际水平，并且应用广泛，能够突破传统金属的制造范围。

2 超高强铝合金的机理和性能

（1）超高强铝合金的机理。超高强铝合金中Zn含量大于3%，Cu的含量大于Mg的含量，Mg含量大于1%。其中Cu是超高强铝合金极其重要的元素，它能够改善晶体结构，提高抗腐蚀性能[1]。研究发现，当Zn/Mg比例较小时，Cu含量越高就越脆，韧性越差，反之比值变大，韧性越好。所以超高强铝合金的搭配比例是关键，除了这些元素外，还有微量元素的添加。在超高强铝合金中，铁和硅不仅是杂质，还能破坏铝合金的性能，由于它们在高温中很难溶解，热加工的时候就容易变形，使得机体发生空隙，产生裂痕直接降低了合金的韧性[2]。

（2）超高强铝合金的性能。合金的性能受到多方面的影响：①基体沉淀相。合金有较高的强度主要是由于合金的基体组织，在固溶处理后，基体组织随着时间的变化发生变化，沉淀相质点分数越大，分布广且均匀，则抗应力腐蚀性及韧性就强。②晶界沉淀相。晶界沉淀相对合金的影响主要是网状分布的晶界沉淀相会破坏合金的性能，找出韧性不住，容易开裂的情况。③晶界无沉淀析出带。晶界无沉淀析出带与晶界沉淀相息息相关，很难分开。缩小晶界无沉淀析出带对合金性能还是有利的。研究学者经历了几千万次试验，通过调整元素配比来达到做好的韧性。在研究过程中发现，处理元素外，其他影响因素主要就是晶体形状和大小，材料组织状态等。

3 铝合金的热处理工艺

超高强铝合金主要是通过热处理技术来合理选择参数，使得合金拥有较好的综合性能。其主要的工艺包括：

（1）均匀化。铝合金均匀化处理就是提高锭坯的冶金质量及挤压性能，我们都知道所有的合金在凝固的时候都会存在枝晶偏析，必须通过均匀化处理才能消除，通过均匀化处理减少内应力，提高热塑性，并且均匀化处理能够促进第二相溶解，提高合金的固溶度，从而提高强度。

（2）固溶。固溶，是指将合金加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保持一段时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却，获得过饱和和固溶体的过程。在固溶过程中，过饱和程度会影响时效析出相的数量，同时过饱和的程度与合金成分有关，也与固溶程度有关，提高过饱和程度，能够减少粗大晶体相产生，还能够改善抗断裂性能。

图1 固溶480℃，24h金相图

（3）热变形处理。热变形处理主要是人们为了让铝合金达到最佳功能的一种研究方式，其实质就是利用塑性变形和热处理来改变合金的性质，提高其强度、韧性和抗腐蚀能力。

（4）单级时效。单级时效又称为一级时效，时效完成后会析出细小的共格，形成连续链状质点，这时铝合金强度增加，但是对腐蚀性极其敏感，抗腐蚀性较差。单级时效的时间与电导率有曲线关系，并且电导率越高强度就越大。

（5）双级时效。双极时效就是要经过两个时效，第一时效是低温时效，形成大量GP区；第二时效是高温时效，让晶体形成均匀的盘状相。经过双时效处理，合金的强度下降但是抗腐蚀性增强。

（6）回归再时效。回归再时效又称为RRA处理，包括三个阶段：第一阶段，在较低温环境下进行峰值时效；第二阶段，在较高温中进行短时回归；第三阶段，在较低温下进行再时效。前两步与双极时效类似，都是现处于较低温状态，后处于较高温状态，增加第三阶段，主要是提高合金的强度，并且保持第二阶段的合金抗腐蚀性能。

图2 时效时间与电导率关系曲线

4 结语

从石器时代发展到目前的硅时代，新材料的变化就可以反应出人类历史文明的变化。超高强铝合金的研究经过漫长的岁月才得以突破腐蚀性差这个瓶颈，实现现在的高强度、高韧性、耐磨性和抗腐蚀性如此全面综合的性能，并且开始推广使用，这一步一步都是人类文明的进步印记。