固溶处理对7475 铝合金组织和拉伸性能的影响

李茂华，陈志龙，徐伊雯，卢立伟，杨延清

(1.湖南科技大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411201；2.西北工业大学 材料学院，陕西 西安 710072)

7xxx 系超强铝合金具有密度小、强度高、韧性好、热加工性能好、抗腐蚀性能优良等特点，广泛应用于航空航天领域[1].7xxx 系铝合金在服役过程中常由于强韧性不够而产生裂纹，甚至出现断裂.因此，开发高强高韧7xxx 系铝合金仍然是当今的研究热点.目前科研工作者主要通过优化合金成分[2-3]、开发先进的塑性成形技术[4-5]、改进热处理工艺[6-17]、成形技术/热处理协同调控[18-19]等方式对铝合金增强增韧.其中，热处理是改善铝合金力学性能最经济有效的方法之一.

文献[6-17]表明铝合金的固溶工艺对后续的时效处理有重要影响.李芳等[8]研究了固溶时间对7050 铝合金挤压材料拉伸性能的影响，结果表明7050 铝合金经470 ℃/30 min 单级固溶+峰值时效后抗拉强度最佳.Zhang 等[9]研究了接触固溶处理对Al-Zn-Mg-Cu 合金峰值时效的影响，发现接触固溶处理可以缩短峰值时效时间并提高合金的强度.Meng 等[10]研究了固溶处理对Al-27Zn-1.5Mg-1.2Cu-0.08Zr 铝合金自然时效的影响，发现高Zn含量的铝合金最佳固溶温度为400 ℃，自然时效后由于大量细小弥散的η′相形成，拉伸性能最好.徐春杰等[11]发现三级固溶处理(450 ℃/2 h+465 ℃/1 h+475 ℃/1.5 h)和三级时效处理(120 ℃/24 h+175 ℃/1.5 h+120 ℃/24 h) 后7055 铝合金的拉伸性能明显提高.孙文会等[12]研究了固溶处理对7136铝合金组织和性能的影响，结果表明经450 ℃/4 h+470 ℃/8 h 双级固溶处理后，合金T6 态的抗拉强度和屈服强度最佳，且伸长率得到显著提升.

7475 铝合金综合性能优良，被广泛应用于飞机机身、机翼蒙皮、中心机翼结构，翼梁和舱壁[1].目前关于固溶处理对7475 铝合金微观组织和拉伸性能的影响研究较少.为此本文采用万能材料试验机和TEM，开展固溶制度对7475 铝合金板材微观组织和拉伸性能的影响研究，旨在为7475 铝合金在航空工业上的广泛应用提供理论和实验依据.

1 实验材料及方法

本实验选用北京航空材料研究院提供的7475-T761 铝合金板材，名义成分为Al-6.2Zn-2.6Mg-1.9Cu-0.25Cr-0.06Mn-0.06Ti-0.1Si-0.12Fe(w/%)，其σb、σ0.2和δ分别为424 MPa、487 MPa 和11.1%[20].将试样放入SX-4-10 型箱式电阻炉进行不同工艺的固溶处理，随后进行室温水淬，最后进行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 双级时效.试样编号及固溶处理工艺见表1.

表1 样品编号及固溶处理工艺Tab.1 Sample number and solution treatment

室温拉伸试验在MT5105 型微机控制电子万能材料试验机进行.拉伸试样沿板材纵向截取.透射电镜测试样品首先机械研磨至70 μm 左右，然后冲成直径为3 mm 的圆片，最后在双喷电解减薄仪上双喷电解减薄.电解液选用30% HNO3+70%CH3OH混合液.在Tecnai F30 G2场发射透射电镜上进行基体析出相(Matrix precipitates,MPt)、晶界析出相(Grain boundary precipitates,GBP)和晶界无析出带(Precipitation free zone,PFZ)的观察.采用nano measure 程序统计MPt 平均半径、GBP 平均长度和PFZ 平均宽度.

2 结果与讨论

2.1 单级固溶处理对拉伸性能和微观组织的影响图1 为单级固溶对7475 铝合金拉伸性能的影响.从图1 可以看出，单级固溶制度分别为470 ℃/40 min、480 ℃/40 min 和490 ℃/40 min 时，随着固溶温度升高合金的抗拉强度和屈服强度先升后降，伸长率单调上升.7475 铝合金最佳的单级固溶工艺为480 ℃/40 min，在此制度下固溶并进行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 双级时效后，合金的σb、σ0.2和δ分别为495 MPa、449 MPa 和12.6%.

图1 单级固溶对7475 铝合金拉伸性能的影响Fig.1 Effect of single-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

图2 为7475 铝合金单级固溶+双级时效后的BF-TEM 图像.对比图2(a)～(f)，可以看出7475 铝合金经过480 ℃/40 min 单级固溶再进行双级时效，MPt 平均半径为7.29 nm，更细小弥散；GBP 均呈断续分布，平均长度为44.78 nm；PFZ 平均宽度为60.05 nm.与其它单级固溶制度相比，MPt 平均半径、GBP 平均长度和PFZ 平均宽度均略有下降.

图2 7475 铝合金单级固溶+双级时效后的BF-TEM 图像[ (a)(b) 470 ℃/40 min；(c)(d) 480 ℃/40 min；(e)(f) 490 ℃/40 min]Fig.2 BF-TEM images of 7475 Al alloy after single-stage solution+dual-stage aging

Al-Zn-Mg-Cu 系高强铝合金主要通过时效析出来强化，而固溶处理对时效强化效果是非常重要的.铝合金在高温固溶后淬火，使基体内形成过饱和固溶体，在时效处理过程中，过饱和固溶体分解析出强化相，阻碍位错运动，从而提升合金强度[21].

合金在时效处理过程中，过饱和固溶体将突破时效强化相的临界析出能垒，从而析出溶质原子.从过饱和固溶体中析出强化相的驱动力为[21-23]：

式中：

ΔFV——析出驱动力，J/m3；

R——气体常数，8.314 J/(mol·K)；

NA——阿伏伽德罗常数，阿伏伽德罗常数，6.022×1023mol-1；

T——时效温度，K；

V——原子体积，m3；

ct——基体在t时刻溶质浓度，mol/m3；

ce——基体平衡溶质浓度，mol/m3.

由式(1)可以得出，固溶度ct越高析出相析出驱动力ΔFV越大.当固溶温度升高时，基体固溶度随之增加.即固溶温度越高，析出驱动力越大.

单级固溶制度为470 ℃/40 min 时，固溶不充分，故时效后合金的MPt 数量相对较少，强度相对低；经 490 ℃/40 min 固溶处理后，晶粒长大，晶界有轻微的过烧，晶界宽化，进而使合金的强度下降[16]；经 480 ℃/40 min 固溶处理后，第二相溶解相对最彻底，故双级时效后强度最高.

2.2 双级固溶对拉伸性能和微观组织的影响第一级固溶制度为470 ℃/40 min，分别在490 ℃、495 ℃和500 ℃进行第二级固溶.图3 为第二级固溶时间对7475 铝合金拉伸性能的影响.从图3 可以看出，随着第二级固溶时间延长强度总体呈上升趋势.7475 铝合金最佳的双级固溶制度为470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下固溶并进行120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 双级时效，合金的σb、σ0.2和δ分别为499 MPa、454 MPa 和12.9%.

图3 第二级固溶时间对7475 铝合金拉伸性能的影响Fig.3 Effect of the secondary solution time on tensile properties of 7475 Al alloy

图4 为7475 铝合金第二级固溶温度为490 ℃时，固溶不同时间+双级时效后的BF-TEM 图像.对比图4(a)～(f)，可以看出第二级固溶时间为25 min时，双级时效后MPt 更细更密，GBP 平均长度和PFZ 平均宽度均有小幅度下降.当第二级固溶时效从20 min 增加到25 min，MPt 平均半径下降了0.55 nm，GBP 平均长度下降了1.41 nm，PFZ 平均宽度减少了2.37 nm.

图4 7475 铝合金第二级固溶温度为490 ℃时，固溶不同时间+双级时效后的BF-TEM 图像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.4 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 490 ℃ for different time+dual-stage aging

第二级固溶温度为495 ℃时，第二级固溶时间对拉伸性能和微观组织的影响与490 ℃时基本类似，即表1 中7#、8#和9#样品的拉伸性能和微观组织与4#、5#和6#样品的变化不大，故文中不再赘述.

图5 为7475 铝合金第二级固溶温度为500 ℃时，固溶不同时间+双级时效后的BF-TEM 图像.对比图5(a)～(f)，随着第二级固溶时间的延长，固溶更加充分，固溶度更高.当第二级固溶时效从15 min增加到25 min，MPt 平均半径下降了1.14 nm，GBP平均长度减小了2.24 nm，PFZ 平均宽度减少了2.85 nm，故合金的强度增高.

图5 7475 铝合金第二级固溶温度为500 ℃时，固溶不同时间+双级时效后的BF-TEM 图像 [(a)(b) 15 min；(c)(d) 20 min；(e)(f) 25 min]Fig.5 BF-TEM images of 7475 Al alloy after solid solution of 500 ℃ for different time+dual-stage aging

图6 为第二级固溶温度对7475 铝合金拉伸性能的影响.从图6 可以看出，第二级固溶时间为20 min 时，随着第二级固溶温度的升高，合金的抗拉强度和屈服强度增加，而伸长率降低.从图4(c)、(d)和图5(c)、(d)可以看出，随着第二级固溶温度的提高，MPt 更细小，平均半径降幅0.64 nm；GBP更短，平均长度减小1.6 nm；PFZ 更窄，平均宽度减少2.63 nm.故强度更高，延伸率略有下降.

图6 第二级固溶温度对7475 铝合金拉伸性能的影响Fig.6 Effect of second-stage solution temperature on tensile properties of 7475 aluminum alloy

假设时效析出相为球形，时效强化析出相的临界析出半径可表达为[21-23]：

式中：

r*为临界形核半径，m；

γ为粒子与基体界面能，J/m2.

由式(2)可以看出，合金固溶度Ct越高析出相的临界形核半径r*越小.

在时效析出过程中，即析出相的形核与生长阶段，析出相形核率根据文献[21-23]可简化为：

式中：

N˙为形核率，s-1·m-3；

N0为单位体积的原子数，m-3；

τ为孕育时间，s；

ΔG*为临界形核激活能，J；

k为波兹曼常数，1.381×10-23J/K.

由式（3）可以看出，固溶度ct越高形核率越高.

双级固溶时，通过第一级470 ℃低温固溶处理溶解了合金中的低熔点共晶组织，从而提高了剩余相的共晶温度，使得即使提高第二级固溶温度也不发生过烧现象.随着第二级固溶温度升高和时间延长，残余相回溶入Al 基体，固溶度提高，析出相的临界形核半径减小，形核率增加.

2.3 单级固溶与双级固溶对拉伸性能和微观组织的影响图7 为单级固溶(470 ℃/40 min)与双级固溶(470 ℃/40 min+500 ℃/25 min)对合金拉伸性能的影响.从图7 可以看出，双级固溶+双级时效后强度和伸长率均增加，σb、σ0.2和δ分别提高了1.4%、1.6%和4.9%.对比图2(a)、(b)与图5(e)、(f)可以看出，双级固溶后时效处理，晶界清晰，无过烧现象.MPt 更细小弥散，平均半径下降了1.50 nm，GBP 平均长度降幅3.02 nm，PFZ 平均宽度减小了4.16 nm.故强度更高，且延伸率略有增加.

图7 单级固溶与双级固溶对7475 铝合金拉伸性能的影响Fig.7 Effect of single-stage solution and double-stage solution on tensile properties of 7475 Al alloy

综合式(1)～(3)，随着合金固溶度增加，析出相的析出驱动力增大、基体析出相形核率增加，析出相析出的临界形核半径减少，使得基体更容易析出数量多且细小弥散的析出相，从而增强时效强化效果，提升合金强度[15-16].

3 结论

(1) 7475 铝合金最佳的单级固溶工艺为480 ℃/40 min，在此制度下单级固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 双级时效处理，合金的σb、σ0.2和δ分别为495 MPa、449 MPa 和12.6%.

(2) 7475 铝合金最佳的双级固溶工艺为470 ℃/40 min+500 ℃/25 min，在此制度下双级固溶后120 ℃/5 h+163 ℃/18 h 双级时效处理，合金的σb、σ0.2和δ分别为499 MPa、454 MPa 和12.9%，与单级固溶后双级时效处理相比，强度和伸长率均有所提高.且MPt 细小弥散，GBP 呈断续分布，PFZ 较窄.

(3) 随着第二级固溶温度的提高，合金的屈服强度与抗拉强度均有明显提升，伸长率略微下降.