高强度铝合金及其先进焊接技术研究现状及发展方向

杨则云

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

0 前言

7000系Al-Zn-Mg-Cu铝合金是以航空航天为主要应用背景开发出的超高强度铝合金。因其具有低密度、高强韧性和低成本等优点，应用价值和前景良好，目前已广泛应用于航空航天、军工、轨道交通等领域[1]。

20世纪初，德国科学家Sander W和Meissner K L经时效处理，获得了高强Al-Zn-Mg系合金[2]，但该系合金抗应力腐蚀开裂（SCC）性能和抗剥落性能的不足限制了其产业应用。20世纪30年代开始，各国学者在研究中发现Cu元素可以提高铝合金的综合力学性能和抗SCC性能，继而开发出Al-Zn-Mg-Cu系合金。德、美、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金基础上成功开发出7075、B95、B93和D.T.D683等合金[3]，至今仍广泛应用于航空航天领域。另外，美国学者通过加入Cr、Mn、Zr等元素，研制出7005和7004合金[4]，获得了良好的焊接性能和抗SCC性能，广泛应用于焊接结构，但是合金的工艺性能有待改善。为此日本学者通过降低w（Mg）而提高w（Zn）/w（Mg）值，获得了较好的焊接性能和工艺性能，但是强度明显下降[5]。为提高强度，20世纪70年代又研制出7020合金，其强度高且可焊接性好[6]。20世纪70年代末，为解决工业应用中SCC敏感性较高的问题，学者在7075合金的基础上，通过调整合金元素的含量，相继发展了 7178、7070、7175、7475 等几种新型合金。

国内针对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究相对较晚。20世纪80年代开始，东北轻合金有限责任公司和北京航空材料研究所相继开发出了7075、7050、7175、7A55、7A60 等超高强度铝合金，以满足航空器关键结构件的制造需求。“九五”期间，北京有色金属研究总院和东北轻合金有限责任公司通过提高w（Zn），采用喷射沉积和半连续铸造等工艺，制成各种尺寸的锻件、挤压棒材及无缝挤压管材等，合金的屈服强度超过750 MPa，延伸率超过8%[7]。

1 Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金成分优化

1.1 主合金元素

7000系超高强度铝合金主要合金元素有Zn、Mg和Cu，其含量的配比对合金的综合性能起决定性作用。由相图可知，凝固过程中随着温度的降低，Zn、Mg元素在铝基体中的固溶度急剧下降，形成强时效硬化效应的二元MgZn2相，同时也会形成三元Al2Mg3Zn3强化相。可通过逐步提高 w（Zn）和 w（Zn）/w（Mg）比值，进而提升MgZn2相的强化效应。另外，Cu元素可明显改善合金的抗SCC性能和综合性能。因此，适当优化Zn、Mg和Cu元素含量能对改善超高强铝合金的性能起到重要作用。

1.2 杂质元素

Fe、Si元素在超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中属于杂质元素，对合金的耐腐蚀性能影响较大，需严格控制其含量。另外，Fe元素与合金中Mn元素易形成脆性夹杂相，降低合金的强韧性，但微量的Fe元素同时可与 MnAl6反应形成（Fe、Mn）Al6，减小FeAl3与α-Al之间的电位差，从而改善合金耐腐蚀性能；一定含量的Mn元素也可改善合金抗应力腐蚀性能。Fe元素与Al元素会发生反应形成FeAl3相，细化再结晶晶粒，但会降低耐腐蚀性能。因此，应合理控制超高强铝合金中微量元素的含量，尤其Fe和Mn元素共存时。

1.3 微量合金元素

用Zr元素代替合金中Cr元素可克服合金的淬火敏感性。超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中Cr元素会增加合金的淬火敏感性，一般制品在固溶处理后必须快速淬火以保证时效后的强度，但对于厚板、大型锻件和大截面挤压材等制品，即使淬火冷却速度迅速，也无法使心部得到快速冷却，且淬火速度过快易导致制品产生较大的应力变形，甚至开裂。合金中添加Zr元素能够细化基体晶粒，也可形成细小弥散分布的高熔点Al3Zr相，从而降低合金的淬火敏感性。铝合金中Al3Zr相一般存在两种结构和形态：①凝固过程中直接析出四方结构的Al3Zr相，可显著细化合金铸态微观组织；②均匀化过程中析出LI2型结构的类球形Al3Zr相，与基体共格，热加工和热处理过程中强烈抑制再结晶和晶粒长大。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中添加Sc元素可改善合金的耐腐蚀性能和焊接性能[8]。同时，添加Sc和Zr元素时还可形成Al3（Sc，Zr）粒子，在合金凝固过程中作为形核核心可显著细化合金的基体晶粒尺寸，可达20～40 nm。Al3（Sc，Zr）粒子对铝合金的形变过程中还起强烈的钉扎作用，抑制再结晶和阻止再结晶晶粒长大，显著改善铝合金的综合性能。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中加入微量稀土元素，如Ce、Y等，有助于改善合金的综合力学性能。如在7A04铝合金中添加微量Ce，可明显改善合金的加工性能、塑性和耐盐雾腐蚀性能[9]。

2 Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的热处理

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强化热处理主要为固溶+人工时效处理，其时效析出的过程为：过饱和固溶体→GP区→MgZn相（η′相）→MgZn2相（η 相）[10]。T6处理为峰值人工时效，强度达到最大值，主要强化相为晶内弥散分布的η′相；但沿晶界也易析出链条状连续分布的粗大η′相和η相质点，明显降低合金的抗应力腐蚀性能，同时剥落腐蚀性能较差，断裂韧性较低。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金也常采用双级时效热处理制度，如T73、T74、T76等。经双级时效处理，可避免晶界析出链条状连续分布的η′相和η相，显著提升合金的抗应力腐蚀性能，但晶内析出η′相将有所长大，从而降低合金的强度。长期以来，高强铝合金的RRA回归热处理制度也得到广泛研究。RRA制度一般为低温时效+高温回归时效+低温时效，可实现晶内组织高强度、晶界组织高抗应力腐蚀开裂性和抗剥落腐蚀性，但其工艺较复杂，不适合规格较大的铝合金制品热处理。

为兼顾高强铝合金的强度、韧性及抗腐蚀能力，逐渐发展出形变热处理和高低温循环热处理强化工艺。其中形变热处理包括低温形变热处理、高温形变热处理、中间形变热处理和最终形变热处理等。以最终形变热处理为例，其工艺过程为：固溶处理→预时效处理→形变处理→最终时效处理[11]。充分利用合金的加工硬化和沉淀强化机理，通过塑性变形和热处理的有效结合，实现合金的高强度+高塑性、韧性+高抗应力腐蚀性能。高低温循环处理强化则是利用合金的激冷激热过程中，温度梯度及成分的不均匀性和晶体结构变化等因素而导致的局部应力集中，产生大量位错，形成大量亚晶，从而细化微观组织，同时提高强度和塑性。

3 Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的先进成形技术

3.1 快速凝固/粉末冶金技术

快速凝固/粉末冶金技术的出现突破传统铸造Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中w（Zn）=8%的限制，极大提升了合金化程度，开发出强度更高的超高强铝合金。日本、欧洲多国均报道了强度超过700 MPa的快速凝固/粉末冶金制备的超高强铝合金[12]。但传统凝固/粉末冶金技术很难制备出大尺寸规格的块体材料，限制了其在超高强铝合金领域的推广应用。近年来，随着金属粉末制备技术、致密化技术及其设备的发展，采用凝固/粉末冶金技术可以制备出350 kg的超高强铝合金坯锭，其挤压件和模锻件已经应用到飞机、导弹以及航天器上[13]。

3.2 喷射成形技术

采用喷射成形技术可制备出w（Zn）高达14%的Al-Zn-Mg-Cu超高强度铝合金。喷射成形由于凝固速度极快，可显著细化合金基体晶粒，抑制宏观、微观偏析和热裂；可显著提高合金元素的过饱和度，能够在后续热处理过程中更充分地析出沉积相，进而获得更佳的力学性能。英国研制的喷射成形7043铝合金中 w（Zn）高达 11.5%，经 T71、T73 热处理后，其室温极限抗拉强度超过800 MPa，延伸率超过8%，实际应用于赛车发动机连杆、轴承支承座等关键部件的制造中。美国开发的喷射成形7093合金中w（Zn）达9.5%，其室温极限抗拉强度超过760 MPa，延伸率超过11%，目前已被应用于高速列车车钩、超高速离心机转子等重要民用和军用产品的零部件。

3.3 微/纳米晶细化技术

低温轧制和低温球磨技术是制备微/纳米晶超高强铝合金的主要技术。低温轧制和低温球磨技术可解决铝合金塑性变形过程中因局部温升导致的冷焊问题。日本采用轧制前液氮冷却和轧后喷淋液氮冷工艺，使得铝合金扎制板材中基体晶粒尺寸为几微米[14]。在此基础上，美国采用多道次低温轧制+时效处理工艺，制备出晶粒尺寸小于100nm的7075铝合金，其屈服强度超过600 MPa，延伸率大于10%[15]。

为制备大尺寸规格的纳米晶超高强度铝合金，美国在液氮浸泡的条件下将铝合金粉末球磨细化获得纳米粉体，进而烧结成纳米晶块体，再挤压成棒材，制备出强度超过840 MPa的 5083铝合金[16]。

4 Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的先进焊接技术

4.1 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊接（FSW）技术作为一种固相连接技术，具有焊接变形小、缺陷水平低、焊接接头质量及力学性能优良等特点。7000系铝合金中因其主合金元素Zn熔点低，在传统的熔化焊接过程中烧损严重、易偏析，导致接头强度明显降低，仅有母材的50%～60%[17]，而搅拌摩擦焊室温下的接头强度可达母材的75%以上[18]。但是，由于搅拌摩擦焊不具有自清洁作用，铝合金界面上的氧化物或杂质等在搅拌不充分情况下会在焊缝截面产生一种连续折线状缺陷[19]；在FSW搭接界面处会出现搭接接头“钩状”缺陷，明显降低接头的疲劳强度[20－21]。目前，搅拌摩擦焊技术主要适用于长、直规则焊缝，该技术应用于复杂截面、复杂空间位置的焊接仍需进一步研究。

4.2 激光焊

单激光焊接是铝合金焊接中的常用方法，具有功率密度高、热输入小、热影响区窄、深宽比高、焊接速度快、变形小、易实现自动化焊接等优点。由于铝合金材料自身的特性，进行激光焊接时不可避免地会出现一些问题，如：①室温下激光焊接时，铝合金表面对激光的反射率很高；②高功率密度激光焊接时，铝合金熔池内液体金属搅动剧烈，易溅出熔池，形成大量飞溅，造成焊缝表面咬边和下凹；③铝合金焊接过程中产生的等离子体会影响激光能量的传输，甚至引起焊接过程不稳定，严重影响接头质量[22-23]；④铝合金激光焊接时的气孔问题，一般包括焊接氢气孔和工艺气孔两种气孔[24-25]。另外，激光焊接装配要求高，熔池的桥连性差，对间隙和错边的适应性差，易引起未填满、咬边，甚至部分激光直接穿过间隙而无法形成焊缝。上述问题的存在极大地限制了铝合金激光焊接的应用范围。

4.3 激光-电弧复合焊

激光电弧复合焊接充分利用激光和电弧两种焊接热源的优势，避免单一热源焊接时存在的一些缺陷和不足，其本质是将激光和电弧两种热源作用于同一区域，通过激光与电弧的相互耦合作用，显著改善焊接过程的稳定性和焊缝成形；同时大大降低对坡口准备和装配精度的要求，可以得到更高的焊接速度、更宽的间隙适应性、更好的焊缝成形以及更少的焊接缺陷。高强铝合金采用激光电弧复合焊窄间隙深熔焊接技术，是控制其焊接应力与变形、减小接头组织的非均匀性、提高其接头静强度和疲劳强度、确保其安全可靠性的根本措施。然而，Al-Zn-Mg-Cu超高强度铝合金的主要合金元素Mg、Zn等受激光作用易蒸发，一方面降低了焊缝中的强化元素含量，另一方面会对等离子体、熔池流动、焊接过程稳定性产生不利影响。研究表明，电磁场、超声场对激光、电弧的等离子体、熔滴过渡、焊缝组织、接头性能有显著影响[26-27]。因此，辅助外场对等离子体的控制作用可以为激光电弧复合焊接提供新思路，进一步提高复合焊接头的焊接质量。

5 结论

超高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金在航空航天及民用领域具有广阔的应用前景，其研究主要包含以下方面：

（1）优化主合金元素含量，合理添加新的微合金化元素，开发适应不同需要的新型超高强铝合金。

（2）采用和开发新的制备技术，提高材料的断裂韧性及综合性能。

（3）优化现有焊接技术并开发新的焊接工艺、方法，以促进高强度铝合金在不同领域的应用。

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