合金材料热处理工艺技术分析及研究进展

赵瑜霞

(航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西 南昌 330096)

0 引言

合金材料是指以金属为基体，加入其他的强化元素，经特殊工艺处理后形成的一种金属混合物，如Al合金、Ti合金以及Mg合金等。合金材料的强度、硬度通常要高于高分子材料，且韧性又优于陶瓷等非金属材料，同时其具有尺寸稳定、导电导热好、易加工等特性。由于合金材料具有这些优异的材料性能，使得其在工业生产领域得到了广泛的应用，包括汽车制造、航空工业、船舶生产等领域。然而，随着现代化工业的进一步发展，工业生产对合金材料的性能提出了更高的要求。在这一背景下，热处理技术作为提升合金材料性能的重要工艺手段，其发展对于合金材料应用具有重要实际意义。为此，本文简要概述了几种典型合金材料的热处理工艺，并分析了其技术特点和研究发展方向。

1 铝合金热处理工艺

铝合金因其具有较高的比强度、较好的加工性能以及耐腐蚀性等，成为航空航天领域中一种极为重要的结构型金属材料。为进一步拓展铝合金的应用领域，满足现代化工业生产制造对铝合金材料性能的高要求，材料工作者主要利用热处理工艺对铝合金微观组织结构进行一定的控制优化，从而充分发挥其性能潜力[1]。铝合金常用的热处理工艺技术主要有均匀化退火、固溶强化以及时效处理等。

1.1 均匀化退火

铝合金铸锭在凝固过程中，易出现枝晶偏析，导致晶内化学成分和微观组织存在不均匀现象，且会产生材料内应力。为了消除铝合金铸锭凝固过程中产生的材料内应力，以及获得均匀的微观组织结构，通常采用均匀化退火工艺对铝合金铸锭进行处理。均匀化退火是指将合金铸锭加热至某一适宜温度，并保温一段时间，之后冷却至室温，从而使合金内的一些相和组织得到溶解，并达到微观组织均匀化和消除材料内应力的目的，进而提升合金材料冷、热变形能力。

（1）铝合金均匀化退火处理效果主要影响因素包括合金元素、退火温度、保温时间、冷却方式等[2]。以2xxx系铝合金为例，可以发现：在合金元素方面，2xxx系铝合金铸锭中的Cu、Mg、Mn等元素偏析程度较大，易富集在合金晶界上，对合金铸锭的均匀化退火效果有着明显的影响；在退火温度方面，2xxx系铝合金一般选择低于共晶温度但高于Cu元素溶解度曲线温度，在一定温度区间内，温度上升将使原子扩散速度加快，并提升均匀化速率和效果；在保温时间方面，铝合金均匀化退火时间增加将伴随微观组织转变，使得固溶处理更加充分，但时间不宜过长，防止晶粒异常长大；在冷却方式方面，铝合金均匀化退火过程中的冷却方式，将影响后续固溶处理效果，目前常采用空冷的方式。

（2）铝合金均匀化退火工艺不仅局限于单级均匀化退火，还包括双级均匀化退火、强化均匀化退火等工艺。例如，7xxx系铝合金采用单级均匀化退火工艺的温度较低，避免铝合金中低熔点元素出现过烧的情况，但均匀化退火的效果并不理想[3]。而7xxx系铝合金二级均匀化退火则是在单级均匀化退火的基础上加以改进，利用两种不同的退火温度，来实现合金中不同共晶相的均匀化弥散效果。强化均匀化退火则能较好地改善7xxx系铝合金的铸态组织，比传统均匀化退火效果更好，但生产效率更低。

1.2 固溶强化

铝合金固溶强化主要是在一定温度下，将合金内的Cu、Mg、Si等硬质溶质转变为均匀的过饱和固溶体，同时改变铝合金的晶粒大小和过剩相数量。铝合金固溶处理后，能够在微观组织结构上为后续时效处理做准备。铝合金固溶强化工艺不仅包括单一温度作用的单级固溶处理，还延伸出来强化固溶处理和高温析出等处理方式。

（1）铝合金单级固溶处理是指在单一温度作用下，尽可能将合金中Cu、Mg、Si等硬质溶质溶入基体，形成过饱和固溶体，充分发挥出合金元素的强化作用，从而提升铝合金的强度、硬度以及耐腐蚀性能。但单级固溶处理过程，需确保合金不产生过烧情况，使得单级固溶处理温度较低，无法完全发挥铝合金固溶强化作用。因此，在对铝合金性能要求较高时，不宜选择单级固溶强化方式。

（2）强化固溶处理方法相比于单级固溶处理方法，能够更大限度地将硬质溶质转变为固溶体，从而充分激发铝合金性能强化潜质。强化固溶处理工艺主要分为三大步骤：第一步，将铝合金加热至某一温度，并在该温度下保温一段时间；第二步，将铝合金以一定的升温速率加热至更高的温度，并保温一段时间；第三步，将铝合金取出，在室温下进行冷却。铝合金经过强化固溶处理后，不仅能提升其屈服强度和抗拉强度，还能降低铝合金时效处理敏感性。

（3）铝合金高温析出工艺则是一种基于普通固溶强化工艺的热处理方式，其工艺处理时间较短，且处理后的铝合金综合性能较为优异。

1.3 时效处理

铝合金固溶处理形成的过饱和固溶体，在自然状态下或是加热至一定温度时，这些固溶体易发生分解，被称为脱溶现象。铝合金时效处理机制就是源自于脱溶现象，即铝合金发生脱溶现象，析出第二相，或是产生硬质溶质原子偏聚区，使得铝合金微观组织结构发生转变，材料性能也随之改变，即材料的强度和硬度得到一定的提升。

（1）铝合金单级时效工艺是指在单一温度下进行热处理，主要通过管控温度、时间等参数来实现合金材料微观组织的优化，从而达到提升铝合金材料综合性能的目的。

（2）铝合金双级时效处理，则是需要进行两个处理阶段，一是低温处理阶段，主要是获得细小的沉淀相；二是高温处理阶段，促使形成粗大的硬质质点。

（3）铝合金回归时效工艺相比于其他两种时效处理的强化效果要明显更强，主要进行三个处理阶段：一是低温预时效阶段；二是短时间高温回归处理阶段；三是低温再时效处理阶段。经过这三个处理阶段后，铝合金将消除合金晶界富Cu或富Mg现象，同时会降低材料内部的位错密度。

2 钛合金热处理工艺

钛合金是一种以钛金属为基体，加入其他强化元素，形成的合金。钛元素具有同素异构体的结构特点，882 ℃以下呈六方晶体结构，高于882℃呈立方晶体结构。当加入一定量的合金元素，改变钛的相变温度和组成成分，从而获得不同组织结构的钛合金。根据合金微观组织结构特点，通常将钛合金分为三大类：一是α钛合金，可以表示为TA钛合金；二是β钛合金，可以表示为TB钛合金；三是α+β钛合金，可以表示为TC钛合金，也被称为双相钛合金，因为其组织结构是α相+β相。

钛合金目前已广泛应用于工业生产领域，如汽车船舶、国防工业等，主要是因为其具有低温高温性能好、抗腐蚀抗疲劳能力强、比强度高等优异的性能。但钛合金也存在着一些缺点，如比模量值较低、制造成本较高、工艺较为复杂等。为了更好地发挥钛合金优异的材料性能，促进我国航空航天、国防工业的发展，本文深入分析了α钛合金、β钛合金以及α+β钛合金等不同种类钛合金热处理工艺的特点。

2.1 α钛合金热处理工艺

α钛合金，是一种以α相固溶体为组织的单相钛合金，在较低使用温度下具有稳定的α相结构，而且抗氧化、抗磨损性能较好。由于α钛合金在较高温度下，α相固溶体会转变成β相固溶体，将改变合金组织结构，因此α钛合金通常无法进行热处理强化，导致其室温强度不高，但抗蠕变性能较好。

目前，α钛合金主要进行的热处理工艺是退火工艺。钛合金在进行熔铸、冷加工等工艺时，会在材料内部产生应力，需要在实际使用前消除材料内应力，避免合金因内应力产生裂纹而影响实际应用。退火工艺正是为了消除α钛合金中残留的材料内应力。α钛合金退火工艺的温度选择较为关键，温度过高将引起α钛合金晶粒粗化，影响材料力学性能；温度过低，则会导致α钛合金中的内应力消除不完全，因此消应力退火要想达到良好的效果，需选择适宜的退火温度。此外，α钛合金在退火过程中，为了避免发生不必要的氧化，通常需要注重把控退火时间，使得在短时间内能够消除α钛合金中大部分的内应力。

2.2 β钛合金热处理工艺

β钛合金，是一种以β相固溶体为组织的单相钛合金。在进行热处理之前，β钛合金就具有较高的强度，而经过固溶处理+时效处理后，β钛合金的强度还会得到进一步提升。

本文以TB2钛合金为例，TB2钛合金是一种典型的亚稳型钛合金，也是可热处理强化的钛合金，主要元素包括Ti、Mo、V、Cr等。有研究表明[4]，TB2钛合金在800 ℃以下，随着固溶处理温度的升高，合金内将生成更多的固溶β相和等轴晶粒，使得合金抗拉强度会逐渐提升，但塑性会随之降低。但随着温度继续升高，固溶处理后的晶粒尺寸明显更为粗大，抗拉强度开始降低，但塑性又会得到一定的提升。TB2钛合金在800 ℃固溶处理后，再进行时效处理，会析出α相和亚稳定β相，并弥散分布在钛合金中，从而让合金的强度和塑性得到进一步提升。但时效温度不宜过高，因为温度过高易导致合金形成粗大晶粒，且等轴晶粒也会减少，晶界也会变宽，导致强度和塑性均会下降。

2.3 α+β钛合金热处理工艺

α+β钛合金，是一种以α+β相固溶体为组织的双相钛合金，且具有较好的综合力学性能，韧性、塑性以及耐高温性能均较好。但α+β钛合金耐磨性能相对较差、冷轧成型较为困难，需经过热处理来改善合金的这些方面性能。

目前，α+β钛合金典型的热处理制度有普通退火、双重退火、等温退火以及固溶时效[5]。其中，固溶时效热处理制度是α+β钛合金应用最为广泛的热处理制度，能够有效地获得抗拉强度高、塑性较好的α+β钛合金材料。在固溶处理过程中，α+β钛合金的微观组织将会发生转变，生成等轴稳定的α相以及马氏体弥散的α＇相等，其中等轴α相能提升钛合金综合性能，马氏体α＇相则能提升合金材料的强度和硬度。α+β钛合金经过固溶处理后，再进行时效处理，要注意避免形成ω相，且要控制好次生的α相尺寸大小，才能进一步提升钛合金强度。

3 镁合金热处理工艺

镁合金是一种以金属镁为基体，加入其他元素后，形成的合金，添加元素主要有Al、Zn、Mn、Zr、Gd等。镁合金具有密度小、导热导电性能好、比强度高、比弹性模量大、减震性能好等优异性能，是实用金属中最轻的金属，被学界誉为“21世纪绿色金属工程材料”。目前，工业生产对产品轻量化的要求越来越高，使得镁合金被广泛应用于军工器械、汽车制造等领域。但由于镁合金的塑性加工性能较差，极大地限制了其实际应用范围。因此，提升镁合金韧性成为了当前急需解决的重要问题。而热处理工艺能够通过改变镁合金的微观组织结构，从而有效地提升镁合金的韧性、强度以及塑性加工性能。

镁合金的常用热处理制度是固溶处理+时效处理，其中工艺温度和保温时间是影响镁合金性能的关键因素。因此，为了提升镁合金综合性能，应高度匹配热处理各阶段的温度和时间。基于此，本文结合研究现状，分别论述了固溶处理以及时效处理过程中，温度和保温时间对镁合金组织及性能的影响。

3.1 固溶处理

镁合金固溶处理的作用主要体现在三个方面：一是获得过均匀的饱和固溶体，有利于时效处理后形成均匀分布、颗粒细小的强化相；二是消除冷加工、热加工产生的材料内应力，防止镁合金因内应力而在实际应用中开裂；三是获得极佳的晶粒度，从而提升镁合金的高温抗蠕变能力。

于建民等[6]研究了温度和时间对GW83镁合金固溶强化效果的影响，固溶处理温度是在共晶温度以下400 ℃～530 ℃区间，保温时间则是在6 h、12 h和24 h之间进行对比研究。可以发现，经过GW83镁合金固溶处理后，共晶相会慢慢溶解，且溶解程度明显受温度和时间的影响。在一定的温度和时间区间内，GW83镁合金的共晶相溶解程度，会随着温度提升或是时间增加，而逐渐增大。但温度过高或是时间过长，均会导致晶粒尺寸变得粗大，从而影响镁合金的材料性能。因此，在镁合金进行固溶处理时，工艺温度和保温时间对镁合金固溶处理结果有较大的影响，研究者们需对不同镁合金特性进行深入研究，探索出合适的固溶温度和时间。

3.2 时效处理

镁合金时效处理本质上是随着温度的降低，添加元素的固溶度会随之降低，导致固溶处理形成的过饱和固溶体析出第二相。但由于镁合金的扩散激活能较低，大部分镁合金在自然状态下难以发挥时效强化作用，须人工加热至一定温度下进行时效处理，且温度不宜太高。在一定温度区间内，通过控制好镁合金时效处理的温度和时间，从而形成弥散的沉淀相，起到强化的作用。此外，部分镁合金在铸造成形后，不经过固溶处理，直接进行时效强化，虽然工艺流程更为简单，也可以消除合金材料内应力，但对镁合金抗拉强度的提升效果不明显。

有学者对GW83镁合金固溶+时效热处理后的微观组织和力学性能进行了研究。GW83镁合金在经过450 ℃、12 h固溶处理后，获得了最佳固溶强化效果，之后进行时效强化处理，时效温度分别为200 ℃、225 ℃、250 ℃，保温时间分别为6、12、18、24、36 h，并采用自然冷却的方式。可以发现，随着时效温度的提高，相变速率显著提升，但析出相和晶粒的尺寸也会随之增大。因此，镁合金时效温度不宜过低，也不宜过高，需在确保时效速率的情况下，获得均匀弥散的第二相组织，发挥时效强化作用。时效时间越长，有助于析出强化相，但随着时效时间的延长，合金晶粒将会不断长大，因此需要找到一个平衡点，最大程度地发挥出时效强化作用。

4 结语

随着工业现代化发展，工业生产应用要求在不断提升，提升合金材料综合性能成为了重要研究内容。而热处理工艺是提升合金材料性能的重要工艺手段，深受广大材料科学研究工作者的重视。基于此，本文对铝合金、钛合金、镁合金等典型合金材料热处理工艺进行了分析，发现热处理工艺对合金材料的性能影响较为明显，主要影响因素有温度、时间、冷却方式等，同时也发现了合金材料热处理工艺研究中的不足。因此，为满足未来工业发展对材料性能的应用需求，本文结合当前研究现状以及工业生产需求，提出了合金材料热处理工艺的未来研究方向，具体如下：

（1）通过分析、组合现有热处理工艺，探索出新型合金材料热处理技术，丰富合金材料热处理工艺方法，从而提高合金材料的综合力学性能。

（2）引入计算机模拟技术，模拟合金材料热处理工艺过程，深入分析材料的具体特性以及不同热处理工艺间的相关性等，从而合理选择热处理工艺参数。

（3）深入分析合金材料热处理过程中微观组织变化以及各强化元素的特点，从而优化合金材料热处理工艺制度，进而充分发挥热处理强化作用。