7075-T73511铝合金热处理工艺研究

2020-07-16庞俊铭刘旭东周广宇

铝加工 2020年3期

庞俊铭，胡皓，刘旭东，周广宇

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

随着航空航天工业的发展，对铝型材的综合性能也逐渐有了更高的要求，铝合金材料的强度、硬度已不能反映其综合性能，电导率这种指标已越来越引起人们的重视。电导率主要与材料的成分和内部组织结构息息相关。当合金成分一定时，其导电性的好坏取决于材料的内部组织，材料的内部组织又受其热处理制度及拉伸的影响[1，2]。相比于常规试验，正交试验法可大大减少实际试验的工作量，用尽可能少的试验次数获得可靠的试验结果，因此被广泛应用于各个领域。

7075 铝合金属于7×××系（Al-Zn-Mg-Cu）超高强合金，具有高强度、低密度、热加工性能好的优良特性，是航空航天器件的优良结构材料，也是目前各国结构材料开发的热点之一[2-6]。7075 铝合金的强度和硬度具有时效双峰特征[7]，然而获得最佳强度的时效热处理工艺未必具有合格的电导率指标。热处理制度与电导率有密切关系，7075 铝合金的电导率受退火温度、固溶处理温度、淬火后停放时间及人工时效制度等诸多因素影响。T7351、T7651 及T73 状态均有合适的热处理工艺，以获得最佳的力学性能[8-10]。作为一种常见的航空材料，7075 合金常用标准为AMS 4167H-2015，该标准要求及检测方法异于国标，力学性能与电导率呈对应关系，即在实际生产过程中T7351、T7651及T73难以保证力学性能及电导率均满足标准。因此，本文选取一种7075 铝合金挤压棒材，引用预应变及二次固溶处理的方法来进行正交试验，分析得出7075 铝合金的最佳生产处理工艺，保证该合金的力学性能及电导率均能满足标准。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料及制备

本试验选取直径为53.98 mm 的7075 铝合金挤压棒材，其实测合金成分见表1。该材料广泛应用于航空航天，AMS 4167H-2015 标准中详细记录了7075-T73511状态性能指标，如表2所示。

表1 7075铝合金化学成分（质量分数/%）

表2 7075铝合金标准要求

该合金熔炼采用火焰反射炉，生产前进行烘炉、清炉以清除湿气及炉渣。先将铝锭及大块料装入，然后装入中间合金，所装炉料分布均匀，防止偏重。当炉温达到700 ℃左右时，保温一定时间直至炉料熔化；炉料化塌时撒熔剂覆盖熔体，并加入Cu 和Zn，保证熔体能淹没Cu 和Zn；炉料化平后，适当搅拌熔体，保证温度均匀，加速熔化；待全部熔化并充分混合后加入Mg，保温一定时间除气扒渣；搅拌，取样，调整成分，出炉，即制成7075 铝合金铸锭。对该铸锭进行均匀化处理，使铸锭具有较好的化学和组织均一性，均匀化制度为（465±5）℃×10 h。将均匀化后的铸锭于55 MN挤压机上进行挤压，制成ϕ 53.98 mm 的挤压棒材，为后续试验研究做准备。

1.2 试验过程及方法

本试验选择固溶+预应变+二次固溶+双级时效的流程进行研究。通过改变预应变、二次固溶及双级时效，获得不同条件下的力学性能和电导率，采用正交试验方法分析获得最佳的7075-T73511处理工艺。具体探究方案如下：

（1）固溶处理制度选择试验方案：ϕ 53.98 mm 7075合金棒材固溶温度为462 ℃。因此，本试验选择一次固溶时间为150 min，二次固溶时间分别为0 min、120 min及150 min。

（2）预拉伸选择试验方案：固溶后试样拉伸不同变形量，7×××系合金常见的拉伸变形量为1%～3%。因此，本试验选择的预拉伸变形量为0%、1%和3%。

（3）双级热处理制度试验方案：由于本试验目的是在满足所需力学性能的同时保证一定的电导率，因此针对7075 合金选择的双级时效制度为105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h。

对处理后的试样进行力学性能和电导率测试。采用SMP-10涡流电导仪进行电导率测试，按AMS 4167H-2015 标准要求，应在检验力学性能之前抽取的7075-T73511挤压棒材样品上测量电导率，选取最接近棒材壁厚中心位置，将棒材沿中心轴线切开，测量截面电导率数值。采用AG-X 100KN电子万能试验机进行力学性能测试，按相关标准进行室温拉伸试验，所有拉伸试样均平行于挤压方向截取。以上试验不同状态的试样测试3次后取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 双级时效对组织及力学性能的影响

7075 铝合金具有时效双峰特征，双级时效比单级时效更有利于获得更高的电导率。因此，首先需选取恰当的双级时效制度。根据以往实际生产经验，7075铝合金的常用双级时效制度为105 ℃×8 h+175 ℃×（8～16） h，对时效后的试样进行力学性能测试，结果见表3，并绘制图1 所示的关系规律图。从图1 中可以看出，随着二级时效时间的增加，强度逐渐降低，延伸率呈现先提高后降低的趋势，而电导率呈现逐渐提高的趋势。当时效时间大于10 h时，电导率提高幅度平缓。因此选定的二级时效时间为10 h、12 h及14 h。

表3 试验方案与结果

图1 二级时效时间与力学性能和电导率的关系图

2.2 正交试验探究及工艺优化

为研究预应变及二次固溶对该合金力学性能和电导率的影响规律，试验采用L9（33）正交试验设计，选择预拉伸（A）、二次固溶时间（B）及双级时效时间（C）3个因素3个水平，如表4所示。其中二级固溶温度为462 ℃。

表4 正交试验表

表5 所列为正交试验方案及结果。由表5 可知，获得最佳电导率的生产制度为A3B2C1，此时获得的性能为Rp0.2=463 MPa、Rm=525 MPa、A=14.5%及γ=39.56%IACS。采用极差分析正交试验结果计算出每一因素和水平下相应力学性能及电导率的平均值及极差，进而确定目标工艺对性能的影响程度，极差分析结果见表6。可以看出，影响7075 合金屈服强度的因素主次依次为双级时效时间、预拉伸和二次固溶时间。二次时效时间由10 h提高到14 h，7075 合金的屈服强度最大降低了30.34 MPa；影响7075 合金抗拉强度的因素主次依次为双级时效时间、预拉伸和二次固溶时间。二次时效时间由10 h提高到14 h，7075合金的屈服强度最大降低了26.67 MPa；影响7075 合金延伸率的因素主次依次为双级时效时间、预拉伸和二次固溶时间。二次时效时间由10 h提高到14 h，7075合金的伸长率最大降低了2.66%；影响7075合金电导率的因素主次依次为二次固溶时间、预拉伸、双级时效。二次固溶时间由0 min提高到150 min，7075合金的电导率最大提高了1.52%IACS。总体来看，对于导电材料7075 铝合金而言，在保证一定力学性能和硬度的前提下，二次固溶时间对合金的电导率影响最大。

表5 正交试验方案与结果

表6 正交试验极差分析结果

为了直观起见，用因素的水平变化为横坐标，指标的平均值为纵坐标，画出水平与指标的关系图，如图2 所示。从图2 中可以看出，保证不同最佳性能的淬火时效工艺分别为：获得最佳屈服强度性能的淬火时效工艺为A2B1C2，获得最佳抗拉强度性能的淬火时效工艺为A2B3C1，获得最佳伸长率性能的淬火时效工艺为A2B1C1，获得最佳伸电导率性能的淬火时效工艺为A3B3C1。

图2 水平与指标关系图

由表5 正交试验结果可以看出，在满足表2 性能标准的前提下，获得最大电导率的处理工艺为A3B2C1。由图2 可以看出影响7075 合金不同性能的最佳工艺。表7示出了分别进行的实验验证的结果。结果发现A2B3C1 和A3B3C1 也能获得较高的电导率，但A3B2C1 和A3B3C1 在获得较高电导率的同时，力学性能下降较大，而A2B3C1在保证电导率的前提下，力学性能相对较高。因此最佳的处理工艺为A2B3C1，此时获得的性能为Rp0.2=488 MPa、Rm=552 MPa、A=16.5%及γ=39.5%IACS。

一次固溶的目的主要是为了减少晶内细小第二相的数量，同时减小晶界上的粗大第二相尺寸，增加固溶体中溶质原子的过饱和度，经后续的时效处理产生沉淀强化从而提高合金强度[11]。通常情况下，固溶温度越高，过饱和固溶体的浓度越高，晶格畸变增大，电导率降低。固溶时间也是影响7075 铝合金固溶效果的一个重要因素。7075 合金中含有Al、Zn、Mg、Cu 元素，而不同的结晶相的淬火速度各不相同，富Mg、Zn相固溶速度比富Cu相快[12.13]，延长固溶时间可以增加富Cu相的固溶程度，使粗大的第二相粒子溶解到基体中，增加基体的过饱和度，在随后的时效过程中促进强化相的析出，提高合金的强度和塑性[14]。

预拉伸可有效地增加空位和位错浓度。晶体缺陷的存在使晶格发生畸变，使金属电阻率提高，电导率下降。而停放一段时间后，电导率又会上升，这是由于7075 合金中含有合金元素Cr。由表1 可知，Cr 元素含量约为0.2%，其与空位具有较大的亲和力，会优先形成空位-原子集团，从而降低了空位等晶体缺陷的浓度，晶格畸变区减少，电导率上升[15]。

7075 铝合金进行不同的热处理时效后电导率有不同的变化。在进行T6 处理后，其晶内和晶界上分别存在着密集细小的沉淀相和析出相，几乎看不出有PFZ 的存在，且晶内仍有淬火后残留的位错线，GP 区与母相保持相同的晶格，因此电导率低[15]；T76、T73 处理后，沉淀相从基体中析出长大，与基体的共格关系减弱，降低共有电子运动的阻力，电导率升高；而进行T7351处理后，在晶界上会析出粗大不连续析出相，在晶内析出变粗的MgZn2。由于预拉伸消除了内应力减少了点阵畸变的发生，使共有电子运动变得容易，从而使电导率增加了[15]。