新型Al-Zn-Mg-Cu合金双级时效制度研究

冯朝辉， 王少华， 臧金鑫， 张显峰， 孙 刚， 陆 政， 龚 彭

（北京航空材料研究院，北京 100095）

Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化型铝合金，因其具有高的比强度和良好的加工性能等优点而广泛应用于航空及军事领域［1～4］。随着航空事业的快速发展，以及复合材料和钛合金等先进材料的挑战，对铝合金性能的要求也在不断提高，材料需要具备更高的强度，良好的强韧匹配和抗应力腐蚀性能。因此，新型高强铝合金的主元素含量（尤其是锌元素）在逐渐提高，相应热处理制度的优化也一直是各国学者研究的重点［5～8］。峰值时效处理虽然可以获得很高的强度，但是服役过程存在严重的腐蚀开裂问题，限制了合金的应用。双级过时效处理，包括低温预时效和高温终时效两个阶段，通过调整合金晶内和晶界沉淀相尺寸、种类和分布，从而在强度降低不多的条件下获得良好的韧性和抗应力腐蚀性能［7～9］。

双级时效工艺研究通常是通过正交试验的方法研究第一级和第二级时效温度和时间对合金硬度、电导率及拉伸性能的影响，最终确定时效工艺参数（预时效的温度T1和时间t1，终时效的温度T2和时间t2）。实验量大，周期长，结果误差也较大。GP区存在两个温度点TC和TV，在TC点以上GP区不能形核，在TV点以下可以不依靠空位浓度均匀形核。而GP区在TV和TC温度区间内是否能均匀形核则依靠基体内的空位浓度［10］。淬火过程冷却速率的快慢直接影响基体内空位浓度的大小，从而影响到GP区形核的数量。尤其是对于大厚板和锻件，中心部位由于冷却速率慢而减少了空位的浓度，在随后的时效过程中会减少沉淀强化相的析出数量，影响强化效果。较准确测定铝合金的TV和TC可以帮助选取适宜的第一级和第二级时效温度，得到优异的综合性能。

本工作针对一种新型超高强Al-Zn-Mg-Cu合金，采用测量GP区形核临界温度TV和TC的方法，确定一、二级时效温度T1及T2，通过研究一、二级时效时间对拉伸性能的影响，确定一、二级时效时间，从而缩短了实验量和实验周期。

1 实验材料与方法

实验材料采用厚度为40mm的Al-9.4Zn-2.1 Mg-1.8Cu合金挤压带板，合金的名义化学成分见表1。

表1 Al-Zn-Mg-Cu合金挤压带板化学成分范围（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of Al-Zn-Mg-Cu alloy extruding plate（mass fraction/%）

Al-Zn-Mg-Cu合金挤压带板经475℃/2h固溶后淬火，再进行约2%的预拉伸。首先通过硬度法确定实验合金的GP区形核临界TV和TC，再进行双级时效工艺的研究，最终通过合金的力学拉伸性能确定适宜的工艺参数，并进一步测试了合金在该热处理制度下的断裂韧度和抗应力腐蚀等性能。

拉伸试样分别沿L向和LT向截取，加工成φ5mm的拉伸试棒，拉伸性能在WDW-100kN试验机上进行测试。硬度测试在HB-3000B-I布氏硬度计上进行。电导率测试在SIGMASCOPE SMP10型电导仪上进行。显微组织采用莱卡MEFS型多功能金相显微镜观察。在岛津JSM-M5600LN型扫描电镜（SEM）上观察显微组织和拉伸断口形貌。透射电镜（TEM）观察在JEM-2010型透射电镜上进行，加速电压为200kV。

2 实验结果与分析

2.1 固溶组织

图1为Al-Zn-Mg-Cu合金挤压带板固溶处理后的三维光学显微组织，固溶处理后的合金晶粒组织发生了部分再结晶，大部分晶粒仍保持着拉长的晶粒组织，组织内存在部分未溶的第二相粒子。

图1 Al-Zn-Mg-Cu合金挤压带板三维光学显微组织照片Fig.1 Three-dimensional optical micrograph of Al-Zn-Mg-Cu alloy extruding plate

2.2 温度TV和TC的测定

根据温度TV和TC的定义，本研究采用硬度法测定实验合金TV和TC的数值。取硬度试样若干，在475℃固溶0.5h后，一部分试样采用空冷至室温，用于温度TV的测定;另外试样采用室温水淬，用于温度TC的测定。经过室温停放24h后，空冷的试样分别在110～150℃进行单级时效处理，测定每个温度时效曲线的峰值硬度，如图2a所示。而水淬的试样，室温停放24h后在140～190℃进行单级时效处理，各个温度下合金的峰值硬度如图2b所示。合金空冷试样的硬度峰值均小于水冷试样的硬度值，这是因为合金在不同冷却条件下的显微组织不同。在空冷的过程中，合金的冷却速率较慢，基体中的部分合金元素在缓冷过程中以第二相形式析出（如图3a和b），而没有保持合金固溶时的过饱和状态，所以在时效过程中起到强化作用的沉淀相较少，合金的硬度和强度降低。合金在水冷的过程中，由于冷却速率较快而没有机会析出较粗大的第二相粒子（如图3c），所以合金保持了高度过饱和状态，有利于时效过程中的强化。表2为合金在不同冷却条件下组织内未溶相和析出第二相的化学成分，能谱分析显示他们均为含Al和Cu元素的MgZn2相，即（Mg（Zn，Cu，Al）2相）。空冷试样的硬度峰值在130～140℃区间出现大幅降低（如图2a），这主要是因为温度在140℃以上时，合金沉淀相（GP区）形核就需要基体内具有一定空位数量，从而可确定实验合金的TV在温度区间130～140℃。水冷试样的硬度峰值降低出现在170～180℃区间（如图2b），因此，TC的温度区间为170～180℃。

图2 不同冷却介质淬火后合金时效硬度峰值分布图（a）空冷;（b）水冷Fig.2 Peak hardness of alloy after aging in different quenching condition（a）air cooling;（b）water cooling

图3 不同冷却介质淬火后合金显微组织的SEM图 （a），（b）空冷;（c）水冷Fig.3 SEM images of peak hardness of microstructure in the alloy after aging in different quenching condition（a），（b）air cooling;（c）water cooling

表2 图3所示合金粒子的成分分析（原子分数/%）Table 2 Compound compositions of particles in Fig.3（atom fraction/%）

2.3 双级时效工艺研究

如果温度稍低于TV时效一定时间，GP区也可均匀形核，而且在一定时间后随着GP区尺寸增大，GP区可以在更高的温度稳定存在，因此一级预时效温度要低于TV。在二级终时效过程中，当时效温度高于TC时，GP区不仅不能形核，而且中小尺寸GP区回溶，合金强度快速下降。为了保证合金中GP区能均匀形核，通过一二级时效协调获得优良的强度/韧度综合性能匹配，双级时效过程中一级时效和二级时效的温度应分别低于TV和TC点 5℃到10℃，即一级时效温度确定为7XXX系常用温度120℃（低于 130℃），二级时效温度确定为165℃（低于170℃）。为了确定一级时效和二级时效的时间，取板材LT向拉伸试样在120℃分别时效4h，6h和12h，然后在165℃时效2～18h，不同一级时效时间下，新型合金屈服强度随二级时效时间的变化如图4所示。图4a给出了合金不同时效状态下的伸长率，合金的伸长率随二级时效时间的延长而升高，一级时效时间为12h的合金的伸长率稍好。但合金在时效8h时，一级时效时间为4h和12h的合金伸长率基本相当。图4b表明合金在第二级终时效过程中，合金的屈服强度随着时效时间的增加而降低。当二级时效时间为8h时，合金的屈服强度非常稳定，集中在540MPa左右，基本不受一级预时效时间的影响，所以该制度可确保合金具有稳定的性能。所以综合考虑合金的强韧匹配和工业生产的成本，120℃/4h+165℃/8h为优选的双级时效制度。

图4 合金在不同双级时效时间的拉伸性能图 （a）伸长率;（b）屈服强度Fig.4 Tensile properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after various two-step aging treatment （a）elongation;（b）yield strength

为了验证这一双级时效制度的可靠性，试样在475℃固溶2.0 h后水淬，选定一级时效制度为120℃/4h，二级时效温度为150～180℃，二级时效时间为6～34h对试样进行时效，合金在不同二级时效制度下的硬度和电导率曲线如图5所示。当合金的二级时效温度在150～160℃时，合金的硬度保持在较高的数值，但是合金的电导率偏低，这样合金的抗应力腐蚀性能不好。而二级时效温度提高到170～180℃时，合金的硬度随时效时间的延长迅速下降，亦证明合金GP区形核临界温度TC在170～180℃是合理的。综合考虑合金的硬度和电导率关系，确定合金在二级时效温度为165℃时效8h后，具有较好的强度和抗应力腐蚀性能（电导率表征）。合金经过120℃/4h+165℃/8h时效后的拉伸性能、断裂韧度和电导率如表3所示。

图5 合金不同二级时效温度的时效曲线（a）硬度;（b）电导率Fig.5 Aging curves of the alloy at different second aging temperatures（a）hardness;（b）electrical conductivity

表3 Al-Zn-Mg-Cu合金双级时效的力学性能Table 3 Mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy after two-step aging treatment

2.4TEM 组织

图6为合金经过120℃/4h+165℃/8h双级时效后的TEM照片，照片均是在＜011＞Al带轴下得到的。合金晶内存在棒状和圆形两种形态的沉淀相，而且主要以棒状沉淀相为主，尺寸从几个纳米到十几个纳米不等（如图6a）。晶界沉淀相粗化严重，呈棒状，尺寸60～80nm，沿着晶界断续分布。晶界附近存在明显的晶界无析出带（PFZ），宽度约50nm，过时效现象明显（如图6b）。＜011＞Al带轴下的衍射斑点花样如图6c所示，可以发现在1/3{02}，2/3{02}的位置出现了η'相的衍射花样，在近2/3{02}处有η相的衍射斑，说明此时晶内沉淀相主要为与基体半共格的η'相和非共格的η相，并且η'相数量居多［6，11］。另外，在 ＜011 ＞Al带轴下有斑点占据了{100}和{01}的位置，经分析可知为Al3Zr相的衍射斑点［12］，Al3Zr相是铸锭均匀化过程中析出的弥散相。

图7为合金经过120℃/4h+165℃/8h双级时效后的SEM照片，L向拉伸断口主要为穿晶韧窝型断裂方式，韧窝特征明显（如图7a，b），LT向为沿晶剪切和韧窝型断裂方式，韧性低于L向（如图7c，d）。

图6 合金在120℃/4h+165℃/8h时效的TEM照片（a）晶内;（b）晶界;（c）＜011＞AlSADPFig.6 TEM images of alloy after aging of 120℃/4h+165℃/8h（a）matrix;（b）grain boundary;（c）＜011＞AlSADP

图7 合金在120℃/4h+165℃/8h时效后的拉伸断口图片 （a），（b）L向;（c），（d）LT向

Fig.7 TEM images of alloy after aging of 120℃ /4h+165℃ /8h（a），（b）L orientation;（c），（d）LT orientation

3 结论

（1）经测试可知，新型合金的GP区临界温度TV在130～140℃之间，TC的温度在170～180℃之间。因此，该合金的一级时效温度可确定为120℃，二级时效温度可确定为165℃。

（2）通过研究第一级和第二级时效时间对合金拉伸性能的影响，优选新型合金挤压带板的双级时效制度为:120℃/4h+165℃/8h。此时，合金L向的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断裂韧度和电导率分别为 617MPa，590MPa，13.5%，4 1 .6MPa和39.1%IACS。实验结果证明，该合金是一种综合性能优良的双级时效600MPa级铝合金。

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