不同成分和热处理制度对合金微观组织结构与性能的影响

杨智强，朱甫宏

(1.东北石油大学，辽宁 大庆 163000;2.73021部队，浙江 杭州 310023)

不同成分和热处理制度对合金微观组织结构与性能的影响

杨智强1，朱甫宏2

(1.东北石油大学，辽宁 大庆 163000;2.73021部队，浙江 杭州 310023)

针对应用领域对合金性能提出的更高要求，以7056合金作为研究基础，制备了包含不同Zn/Mg成分比的合金材料，并分析了单级和双级不同时效制度对7056合金微观组织和力学性能的影响。重点探讨了在不同热处理工艺条件下对合金材结构和性能的影响。

合金成分；时效制度；微观组织；力学性能；成分比

超高强度Al-Zn-Mg-Cu系合金，以较高的比刚度、比强度被广泛地应用在航空航天领域，如空客380民用运输机身術条所采用的7055-T76511；但随着材料技术的不断发展和行业对合金要求的提高，材料研发者开始对合金成分和热处理的工艺进行优化，以达到提高材料性能的目的。

1 合金制备与试验方法

1.1 合金成分设计

本研究以7056铝合金作为研究对象，制备了不同Zn/Mg成分比的Al-Zn-Mg-Cu板材，其具体成分见表1。

表1 试验合金成分设计(质量分数) %

1.2 合金制备

合金原材料采用99.99%高纯度铝，99.9%高纯度镁，99.99%高纯度锌，Al-39.3%Cu、Al-4%Zr、Al-15%Mn和Al-4%Ti等中间合金。在制备过程中，采用的①号覆盖剂(47%KCl-30%NaCl-23%Na3AlF6)对熔体进行保护，在铸铁模中进行浇铸。熔铸过程为在炉温升至600 ℃以上后，加入合金原材料及其各种中间合金材料，待充分熔化之后扒渣，并加入覆盖剂，温度为760 ℃时，添加锌、镁，熔化后扒渣，采用六氯乙烷对其进行精炼除气，并静置>10 min，待温度降至700 ℃后取出，通过铸铁模得到模型。通过试验测定其化学成分见表2。

表2 试验合金成分设计(质量分数) %

1.3 热处理工艺

本研究采用单级时效和双级时效工艺对合金的综合性能进行评估，具体工艺见表3。

表3 7056铝合金热处理制度

2 不同热处理工艺下的7056合金时效特性研究

2.1 单级时效特性研究

研究在单级时效条件下，不同Zn/Mg成分比的合金在不同时效温度条件下(105、120、135和150 ℃)的时效特性(如维氏硬度、电导率)及显微组织结构，以便更好地了解在不同时效下的动力学机制，为后续的7056铝合金热处理提供参考。

2.1.1 单级时效的硬度与电导率曲线

通过试验可得到7056合金在105、120、135和150 ℃时效温度下的硬度与电导率特性的曲线(见图1)。

图1 不同时效温度下的硬度与电导率特性

从图1可以看出，该合金具有极快的时效响应速度，在上述温度下时效1 h，其硬度上升至188～206 HV，同时通过计算，其合金峰值硬度达到最高峰值的86.9%以上，时效温度越高，其时效的反应速度也就越快，达到T6峰时效也就越短。4种不同温度下其达到T6峰值的时效时间其分别为20、12、6和3 h，与之前的很多文献所报道的在120 ℃峰时效24 h和在150 ℃峰时效的8～12 h的时间相比较大幅度提前。

通过图2a的硬度特性曲线可以看出，7056合金在105和120 ℃温度的时效过程中，硬度在达到峰值后较长时间以内未出现大幅度的下降，时效在40 h后将继续延长时效时间，并且硬度几乎保持不变。时效在150 h之后，硬度仍能保持在205或200 HV左右；但在150 ℃时效60 h后，硬度降低至160 HV，随后开始缓慢的下降。合金在135 ℃时效时，时效在16～40 h这个阶段，其硬度在202～205 HV波动。

通过图2b的电导率可以看出，在低温105和120 ℃下，时效在初期0～1 h，电导率呈现逐步下降后缓慢上升的走向，整个电导率的变化都表缓慢和平缓。在150 h后，电导率分别为27.4%I和31.4%。在高温条件下(135和150 ℃)，电导率变化趋势比较明显，并在时效150 h后，其电导率可达到33.7%IACS。

2.1.2 不同Zn/Mg比对合金性能的影响

从图2可以看出，在峰时效之前在硬度和电导率方面的变化基本相同，但是在进入时效之后，Zn/Mg比最高的3#的硬度下降最快，电导率也上升的最快。从整体来看，Zn/Mg比越高的，电导率越高，硬度也就越低，在上述时效温度变化的情况下，Zn/Mg比变化为造成7056合金性能的变化。而当温度在达到150 ℃之后，在硬度和电导率方面的变化速率都很快。其中，Zn/Mg比最高的3#在150 ℃时效要提前2 h，硬度要低于1#、2#。

从综合性能比较来看，在120 ℃/12 h时其性能最好，综合性能排序为1#>2#>3#。

2.2 双级时效工艺特性研究

通过在T6峰的时效处理可以使得合金达到比较高的强度，但是针对高性能的合金材料， SCR性能和断裂铺性能所体现出的劣势则严重制约着材料的应用；因此，在对合金材料的特性评价中，除单级条件下的特性研究外，通常还对多级条件下的合金性能进行研究。对此，本文对在多级性能条件下的7056合金热工艺处理，并对其综合性能和显微结构进行观察。传统的T7过时效制度根据其时效程度的不同，将其分为T73、T74、T76 3种不同制度，但很多研究者认为，T7过时效制度会给合金的综合性能带来很大的影响，如中南大学的研究者认为采用先低温后高温的方式，可明显提高合金的电导率；但是很难保障合金的综合性能。对此，本文采用先高温后低温的双级时效工艺。

图2 3种合金在105、120、135和150 ℃下的硬度与电导曲线

在工艺制造中，中厚板Al-Zn-Mg-Cu合金因不同厚度层其温度不均匀，以此导致其内部存在着显微结构差异，而只有在时效足够长的条件下，才能使得合金在整体的组织上可以趋于达到均匀，最后达到最为理想的热处理的效果；因此，采用高温短时和低温长时的时效工艺，可改善7056合金的综合性能。参考各种资料，选择L9(34)正交表对其中的T79热工艺进行研究，其因素水平见表4。

表4 先高温后低温的双级时效因素-水平表

本文以2#作为研究对象，则可以得到正交结果见表5。

表5 2#铝合金先高温后低温的双级时效正交试验结果

通过表5可以看出，第1级时效温度对2#合金的硬度的影响其最为大，第2级时效影响其次。

在不考虑电导率的情况下，选择A2*B1+C3*D3更有利于该合金的硬度。同时针对电导率来看，则选择A3*B3+C3*D3更有利于其电导率。综合考虑上述问题可以得到，对于2#合金，其最佳的双级时效的工艺为：A2*B2+C3*D3，即150 ℃/5 h+135 ℃/24 h。因此，依次对不同的工艺进行研究，最终可得到适合先高温后低温的热处理制度，应选择155 ℃/2h+125 ℃/24h。

3 结语

7056合金有着极快的响应速度，时效温度越高，其响应速度也就越快。该合金其在105和150 ℃时效为1 h，硬度分别为188.3和206.2 HV。适合该合金的最佳T6峰时效制度为120 ℃/12 h。不同双级工艺方式下，在接近T6峰时效的基础上，可进一步的接近该T6峰时效的强度，而在双级时效制度的关键在于对温度的控制。对整体来讲，最优的工艺为155 ℃/2 h+125 ℃/24 h。

[1] 张利军,申伟.薄壁铝合金材料热处理工艺技术研究[J].新技术新工艺.2013(6)：104-105

[2] 李松瑞,周善初,田荣璋.金属热处理[M].长沙：中南大学出版社,2003(5):234-235.

[3] 范述宁.S32750+Q345R不锈钢复合厚钢板热处理工艺研究[J].新技术新工艺.2013(1)：83-84.

责任编辑李思文

DifferentCompositionandHeatTreatmentSystemontheInfluenceofStructureandPerformanceofAlloyMicrostructure

YANG Zhiqiang1,ZHU Puhong2

(1.Northeast University of Petroleum, Daqing 163000, China; 2.73021 Troop, Hangzhou 310023, China)

In view of the application field of alloy performance put forward higher requirements, based on the study of the 7056 alloy, prepared containing different composition than the alloy material, and analyzed the single stage and double stage different limitation system influence on the microstructure and mechanical properties of 7056 alloy. And mainly discussed the impacts on structure and performance of alloy under different heat treatment process conditions.

alloy composition, aging system, microstructure, mechanical properties, ingredients

TG 162.1

：A

杨智强(1989-)，男，硕士研究生，主要从事金属材料工程等方面的研究。

2014-12-04