双级固溶工艺对7050铝合金组织与力学性能的影响

姜中涛，汪 鑫，周志明，林海涛，杨绪盛，代芳芳

(1.重庆文理学院 新材料技术研究院，重庆 402160;2.重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054；3.西南铝业(集团)有限责任公司，重庆 401326)

铝及其合金，特别是7050铝合金作为一种优良的结构材料，具有比强度高、密度小、抗腐蚀性能优越等特点，已被广泛应用于汽车、航空航天、军事工业等领域[1-3]。近年来，我国对二三线城市支线飞机的需求量大，7050铝合金作为能承受高负荷零部件的关键材料[4](如飞机起落架室、机身、机翼、托架等重要部件)，显得尤为重要。

锻造态7050铝合金中存在的第二相主要有η相(MgZn2)、难溶S相(Al2CuMg)和含Fe(Al7Cu2Fe)不溶杂质相[5-6]。这些尺寸大于1 μm的粗大第二相在合金变形过程中，容易引起应力集中，并诱发裂纹扩展，以及引起微电偶腐蚀[7]。因此，7×××系铝合金的超高性能很大程度上依赖于热处理工艺，特别是固溶和随后的时效热处理，其中固溶处理是最主要和关键的步骤[8-9]，是时效强化的第一步。

早期学者研究表明[10-12]，常规单级固溶过程中，单纯依靠升高固溶温度，并不能使合金中第二相充分固溶到基体中，但温度过高合金晶粒显著长大，反而会降低合金性能。与常规固溶相比[13]，双级固溶处理是通过逐步提高固溶温度，升高多相共晶温度，从而避免发生组织过烧的热处理方法。强化固溶后，合金中未溶相得到充分溶解，粗大析出相大量减小，组织均匀性得到提高。最重要的是提高了合金元素的固溶程度，为时效强化的进行增加了驱动力，进而提高合金的强度、韧性等性能。近期，Wang等[14]研究表明，Al-Zn-Mg-Cu合金经过双级固溶+非等温时效的热处理后，具有优异的硬度(195.7 HV)和抗拉强度(680 MPa)，接近于T6热处理态，同时具有更加优异的抗晶间腐蚀和剥落腐蚀性能。目前，对7×××系铝合金双级固溶的研究主要集中在固溶后合金的组织变化，而对双级固溶过程中的组织演变研究较少。

为此，本文以航空用锻造态7050铝合金为研究对象，主要研究双级固溶过程中的组织演变，以及双级固溶+双级时效(T74)对合金微观组织、力学性能和导电率的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为航空用锻造态7050铝合金，合金成分(质量分数，%)为6.5Zn、2.5Cu、2.2Mg、0.12Zr，余量Al。合金固溶和时效热处理工艺路线如图1所示。固溶分为两种方式，一是双级固溶处理：450 ℃保温1 h，然后1.5 h升温到495 ℃，最后在495 ℃下保温0.5 h；二是作为对比试样，常规单级固溶处理：477 ℃下保温4 h。两种固溶处理的淬火转移时间都小于15 s，66 ℃水淬。试样分别经双级固溶和常规单级固溶后，接着进行时效处理，时效处理在鼓风干燥箱内进行，工艺为双级时效(T74)即121 ℃×4 h+177 ℃×5 h。

图1 热处理工艺流程图

为了研究双级固溶过程中的组织演变，在固溶的各个阶段淬火取样，如图1所示的A、B、C点，对比试样为单级固溶淬火试样(图1中D点)。合金微观组织观察的试样经过粗磨、细磨、抛光、腐蚀处理，腐蚀剂为Graff Seagent试剂(试剂成分为1 mL HF+16 mL HNO3+3 g CrO3+83 mL H2O)，通过Gemini SEM-300型扫描电镜及其配套的能谱仪(EDX)对固溶前后以及时效后的微观组织进行分析。用透射电镜表征时效析出相，将φ3 mm×0.8 mm的透射电镜试样先粗磨再细磨到80 μm，然后进一步采用双喷减薄方法制备，双喷试剂为30%硝酸+70%甲醇(体积分数)，温度为-20～-30 ℃，直流电压为15 V。按照ASTM B557-2006，用线切割机加工板状拉伸试样，每个热处理工艺取3个试样，在WDW-200电子万能试验机上进行室温拉伸性能试验。电导率测试按照GB/T 12966—2008《铝合金电导率涡流测试方法》进行测量，每个试样测量3个试验点，取平均值作为试样的电导率，导电率=电导率/58×100%。

2 试验结果与分析

2.1 固溶处理对第二相演变的影响

图2为锻态7050铝合金的SEM图。由图2可以看出，合金中有大量非平衡凝固的第二相组织。经EDX能谱分析，合金中大量均匀细小、尺寸为1～3 μm的棒状第二相主要含Mg和Zn两种元素，推测为η相(MgZn2)；少量近球形第二相中Cu/Mg原子比约为1，推测为难溶S相(Al2CuMg)；还有极少量有明显棱边的粗大第二相，其Cu/Fe原子比约为2，推测此相为不溶的杂质相Al7Cu2Fe。一般而言，7×××系超硬铝合金中主要的强化相为MgZn2、T(Al2Zn3Mg3)、S(Al2CuMg)，而时效效果主要由MgZn2和T相提供，S相的强化效果不大。但是，由于工业铝合金的时效处理一般在180 ℃以下进行，而时效温度大于200 ℃才会发生T相的析出，因此T相对7×××系合金的强化无贡献，MgZn2相是锻态7050铝合金的主要强化相，而在固溶处理过程中，S相和杂质相很难消除，其存在会大大降低合金的断裂韧性及力学性能。

图2 锻态7050合金的SEM照片

图3为7050铝合金固溶处理过程中不同保温阶段的淬火组织照片。其中图3(a～c)为双级固溶各个阶段的组织，图3(d)为对比试样经单级固溶处理的淬火组织。由图1可知，双级固溶处理分为3个阶段，第一阶段为450 ℃保温1 h；第二阶段为1.5 h升温到495 ℃；第三阶段为495 ℃保温0.5 h。与锻造态组织相比(见图2)，第一阶段保温结束后(A点)，合金中η相完全消失，如图3(a)中只观察到类球形的S相和杂质Al7Cu2Fe相；随着温度升高到495 ℃，第二阶段保温结束(B点)，合金中S相大量减少，而杂质Al7Cu2Fe相依然存在(图3(b))；当495 ℃保温0.5 h后(C点)，合金中只有少量Al7Cu2Fe相存在(图3(c))，难溶S相完全消失。由此可见，尽管最终固溶温度较高，超过7050铝合金的共晶点486 ℃[15]，但是组织并未发生过烧。这是由于合金中多种相的热稳定性和固溶程度不同，在不同升温阶段中，当某一相溶解后，增加了剩余相的共晶温度。对比单级固溶处理如图3(d)所示(D点)，合金中还剩余大量的S相和Al7Cu2Fe相，且尺寸较大，这不利于合金性能的提高。双级固溶可大幅增加固溶饱和度，消除粗大的第二相，从而更好地为时效处理做好准备。

图3 图1中不同固溶阶段7050合金的SEM图片

2.2 固溶处理对性能的影响

图4为7050铝合金经单级固溶+双级过时效(T74)处理、双级固溶+T74时效处理的室温拉伸应力-应变曲线，表1为合金性能数据。可以看出，7050铝合金经双级固溶+T74时效处理后，强度显著高于单级固溶+T74时效处理，抗拉强度达到611.9 MPa，屈服强度达到587.5 MPa，而伸长率与单级固溶相比变化不大，为13.5%。因此，相同时效工艺下，双级固溶的合金强度显著高于单级固溶，且保持较好的伸长率。

图4 不同固溶工艺+双级时效后7050铝合金的应力-应变曲线

表1 不同固溶工艺+双级时效后7050铝合金的性能

由表1可知，双级固溶+T74处理合金的导电率明显高于单级固溶+T74处理的合金，导电率为42.43%IACS，铝合金的导电率与其时效处理时强化相析出程度有关。时效处理的过程，就是过饱和固溶体逐步析出溶质原子过程，合金晶格畸变程度减小，内应力降低，从而电子运动变得容易，导电率升高。对于同一时效处理的7050铝合金，导电率越高，说明强化相析出程度越高。另外，导电率也是用来评价铝合金抗应力腐蚀开裂性能的方法，一般而言，导电率越高，抗应力腐蚀开裂敏感性就越小。对于航空用7050铝合金，导电率要求大于38%IACS，并在保证高强度的前提下，导电率越高越好。因此，双级固溶+T74处理的7050铝合金在保持较高力学性能的同时，更有利于提高其抗应力腐蚀性能。

2.3 固溶处理对时效析出相的影响

7050铝合金获得高强度的机理主要是时效析出强化，即高温固溶后形成过饱和固溶体，在低温时效过程中析出细小(纳米级)、弥散分布的第二相，从而阻碍位错运动，提高合金强度。时效析出相的形貌、数量、分布等除了直接与时效工艺有关外，主要与固溶有关，双级固溶过程减少了未溶相数量，提高了合金过饱和程度，使合金时效析出相变驱动力增加，析出相数量增加，合金强度升高。

为了分析不同固溶处理后双级时效组织对试样性能的影响，对试样微结构进行高倍SEM观察，图5为不同固溶+双级时效处理后7050铝合金的微观组织。由图5可知，经过双级固溶+双级时效后的合金，晶内析出相的密度明显高于单级固溶+双级时效处理。提高7050铝合金力学性能的主要措施是合适的时效处理工艺，同样的时效工艺下，合金中获得均匀、细小、高密度的析出相，可显著阻碍位错运动，提高合金的强度，这是双级固溶+双级时效处理后拉伸强度高于单级固溶+双级时效处理的主要原因。另外，双级固溶+双级时效处理晶界析出相(Grain boundary precipitates, GBPs)尺寸较大，并呈明显断续状，晶界无析出带(Precipitation free zone, PFZ)宽度也较大。一般而言，7050铝合金的耐腐蚀性与GBPs和PFZ密切相关。晶界是时效析出相的优先形核位置，析出相的长大和粗化也伴随着PFZ的形成[16]。GBPs的连续分布对铝合金的耐蚀性是有害的，这是由于弥散分布的GBPs可以固定H原子，起到提高耐腐蚀性的目的。由2.2节分析可知，析出相的析出程度越高，合金的导电率就越高，且高导电率提高了合金的耐腐蚀性。TEM微观组织分析表明，双级固溶后的合金析出相密度高于单级固溶的合金，且GBPs呈断续分布，PFZ较宽，都是获得高导电率的原因。由此可知，微观组织的差异决定了双级固溶+双级时效处理合金的导电率高于单级固溶+双级时效处理合金。

图5 不同固溶工艺+双级时效后7050合金的微观组织

3 结论

1)双级固溶处理显著提高了7050铝合金的拉伸强度和导电率，同时保持较好的伸长率，抗拉强度为611.9 MPa，屈服强度为587.5 MPa，导电率为42.43%IACS，而伸长率为13.5%。

2)双级固溶处理提升7050铝合金强度和导电率的主要原因是，双级固溶处理使难溶的Al2CuMg完全固溶，提高了合金的过饱和程度，增加晶内时效析出相的数量，并使晶界析出相弥散化。