时效制度对7003铝合金组织性能的影响

李慎兰，刘传生，邱晓慧，徐丽萍

(1.广州民航职业技术学院 飞机维修工程学院，广东广州 510470；2. 广东省新材料研究所 现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东 广州 510651)

7×××系铝合金由于具有比强度高、塑性好以及加工性能优良等特点被广泛应用于航空航天和轨道交通运输等领域[1-3]。7×××铝合金作为时效强化型铝合金，时效工艺对其性能的提高起着至关重要的作用。为了获得最佳的综合性能，对7×××铝合金热处理工艺的研究和改进成为业界关注的焦点。许多学者在7×××铝合金的时效处理工艺方面做了大量研究。对7A85铝合金的时效工艺研究发现[4]，经过470℃2 h+120℃30 h双级时效处理后，7A85铝合金可以在保持良好力学性能的同时，提高耐晶间腐蚀的能力。张洪辉[5]研究了不同时效制度对7003-T5铝合金挤压型材力学性能的影响，发现双级人工时效制度105℃5 h+155℃6 h可得到优良的综合性能。冯迪[6]研究了预时效温度和回归加热速度对7055铝合金力学性能和电导率的影响，并讨论了不同回归再时效(RRA)制度下微观组织的变化。通过对比研究T6、T73和RRA三种时效制度对7055铝合金的力学性能、断裂特征及显微组织变化特征的影响[7]，发现RRA处理可以在保持T6状态强度的同时，获得较高的电导率，但材料的伸长率相对较低。

7003铝合金属于一种典型的中强度铝合金，在 很多方面得到了广泛应用。本试验研究了不同时效工艺参数对7003铝合金性能的影响，并通过透射电子显微镜(TEM)对显微组织进行观察和分析，探讨了组织和性能的变化规律，旨在优化出7003铝合金的时效制度，为该合金的热处理工艺优化和合金显微组织研究提供理论依据和试验指导。

1 试验材料及方法

试验用7003铝合金铸锭经过均匀化处理后，用8 MN卧式挤压机进行挤压，得到壁厚为5 mm的板材，其化学成分如表1所示。

表1 7003铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of the experimental 7003 aluminum alloy(wt/%)

将合金在480℃固溶50 min后，分别进行自然时效T4、单级峰时效T6、双级时效T53和三级回归再时效RRA，具体时效工艺参数如表2所示。

固溶处理在SX2-8-10型马弗炉中进行。时效处理在101-1型鼓风电热恒温干燥箱中进行。室温力学性能测试在SANS 100 kN电子万能材料试验机上完成，拉伸速度为2 mm/min。晶间腐蚀按照标准GB/T 7998-2005进行，腐蚀介质为(57 g NaCl+10 mL 30% H2O2)/L的IGC溶液，试验温度为35℃，试验时间6 h，截取腐蚀试样横断面在Leica金相显微镜上观察晶间腐蚀形貌。晶间腐蚀试样沿挤压方向截取，以垂直于挤压方向的合金平面作为腐蚀面。采用D60K数字金属导电率测量仪分别对不同时效状态下合金进行导电率测试。硬度测试在WOLPERT 401MVD型数显维氏硬度计上进行，加载载荷为9.8 N，保荷时间为10 s，每个试验点测量至少5个以上的数据取平均值。TEM显微组织观察在TECNAI G220型透射电镜上进行，加速电压为200 kV。透射电镜样品直径为3 mm，厚度为0.08 mm，在含25% HNO3(体积分数)的甲醇溶液中进行双喷减薄，温度控制在-25℃以下，电压为15 V～20 V，电流为60 mA～80 mA。

表2 各种时效制度的具体参数Table 2 Aging process parameters

2 结果与分析

2.1 时效制度对7003铝合金力学性能和导电率的影响

7003铝合金经过480℃50 min固溶处理后，分别进行自然时效(T4)、120℃24 h单级峰时效(T6)、105℃8 h+145℃8 h双级时效(T53)、120℃24 h+175℃1.5 h+120℃24 h回归再时效(RRA-1)以及120℃24 h+175℃1.5 h(然后室温停放三天)+120℃24 h回归再时效(RRA-2)5种时效工艺处理。不同时效工艺处理后的力学性能和导电率测试结果如表3所示。从表3可以看出，按照T4→T6→T53→RRA-2的顺序，合金的抗拉强度依次下降，屈服强度依次上升，导电率依次升高；T4状态下的伸长率最高，T6状态下的伸长率最低；未经停放的回归再时效(RRA-1)状态下抗拉强度和屈服强度均偏低，但导电率却最高。

表3 不同时效制度下7003铝合金力学性能和导电率Table 3 Mechanical properties and conductivities of the 7003 aluminum alloy under different aging systems

一般情况下7×××系铝合金自然时效状态的强度均低于人工时效状态的。但本试验用7003铝合金T4状态下的抗拉强度最高，达到428 N/mm2，T6状态下的抗拉强度降到410 N/mm2；伸长率则从18%降到13.7%；屈服强度大幅提升，从270 N/mm2提高到345 N/mm2。黄英等人[8]对7N01铝合金的研究也发现类似的现象。对Al-9.88Zn-2.40Mg-2.32Cu-0.12Zr合金的研究结果表明[9]，经过 RRA处理后，抗拉强度没有降低，屈服强度甚至有所提高，但伸长率却降低非常明显，认为RRA处理工艺对合金的塑性不利。本试验对7003铝合金经过RRA-2处理后，其抗拉强度比T6状态的略有下降，但屈服强度却略有升高，伸长率和导电率则分别从13.7%和34.6 %IACS大幅升高到17.5%和36.9%IACS。由此可见，本试验中7003铝合金的强度和导电率的变化与文献中的相似，但RRA处理之后其伸长率有所升高，表明RRA处理工艺对合金的塑性不利并不能指所有的7×××系铝合金。

对于7×××系铝合金，其应力腐蚀与导电率之间是紧密相关的，导电率越高，抗应力腐蚀性能越好[10]，因此可以用导电率来间接反映材料的抗应力腐蚀能力。由表3可见，RRA-1状态下导电率虽然很高，但屈服强度比T53状态的明显低。可见，RRA-2时效和T53双级时效的合金在保持较高屈服强度的前提下，还具备较高的导电率，具有较好的抗应力腐蚀性能。

2.2 时效制度对7003铝合金晶间腐蚀性能的影响

7003铝合金经过不同时效工艺处理后的晶间腐蚀形貌如图2所示，对应的晶间腐蚀深度及评级见表4。由图2及表4可知，在5种时效工艺中，试验合金的最大腐蚀深度从高到低的顺序为： T6、T4、T53、RRA-1和RRA-2。在T6、T4和T53状态下，晶间腐蚀都处于3级，其中T6状态合金的晶间腐蚀情况最严重，最大腐蚀深度达到59 μm。RRA-2时效工艺下，晶间腐蚀敏感性最低，其最大腐蚀深度仅为10 μm，晶间腐蚀能够控制在1级之内。由此可见，通过RRA-2处理，7003铝合金的晶间腐蚀性能得到了较明显的改善。

表4 不同时效制度下7003铝合金的最大晶间腐蚀深度及评级Table 4 Maximum intergranular corrosion depths and grades of 7003 aluminum alloy under different aging systems

2.3 不同时效制度的TEM组织及其性能

7×××铝合金的性能主要是由析出相的数量、种类、大小、分布以及晶界特征如PFZ宽度和晶界析出相是否连续等因素决定。其中，晶内析出相决定合金的强化，晶界析出相决定合金的应力腐蚀开裂倾向[11-12]。此外，沉淀强化理论认为，合金发生变形时位错与粒子之间的交互作用方式有切割和绕过两种机制，取决于不同时效态析出物的性质[13]。

不同时效制度下7003铝合金晶内和晶界的TEM透射电镜形貌如图2所示。在T4状态下，如图2a、b所示，合金基体中的晶内析出相主要为与基体完全共格的GP区为主，变形时位错切割GP区，因此屈服强度较低。此外，晶界上析出了连续分布的细小η相，未见明显的无沉淀析出带(PFZ)。这样的晶界特征使得作为阳极的晶界会发生连续溶解，形成连续腐蚀通道，因此合金的抗腐蚀性能较低，合金的导电率最低。

T6状态下主要晶内强化相为均匀弥散分布的GP区和η′相(如图2c、d)，η′相与基体保持半共格关系，强度较高，变形时不容易被位错切割，因此其屈服强度比T4状态的有大幅提高。晶界析出相仍表现为链状连续分布，但其析出相的尺寸比T4状态的略大，而且出现了明显的PFZ，因此其应力腐蚀抗力要比T4状态的稍好，其导电率要比T4状态的稍高。

T53双级时效工艺的晶内析出相与T6状态相似，但晶界析出相略有长大，且呈不连续分布， PFZ略微变宽(如图2e和f)。不连续分布的晶界析出相在应力腐蚀开裂过程中能阻碍阳极通道的形成，有利于提高合金的抗应力腐蚀性能[14]，因此T53状态的合金导电率要比T6状态的高。

RRA-1三级时效状态下，如图2g、h所示，组织与双级和单级时效时明显不同，晶内η′相尺寸明显增大，析出相的数量明显减少，并有少量的η相存在。晶界析出相长大粗化，PFZ变宽。RRA-2三级时效状态下，如图2i、j所示，晶内组织与T6状态的类似，但晶界析出相细小呈断续分布，PFZ明显变宽。这是由于回归处理后在室温停放三天(RRA-2)，晶内出现大量细小弥散与基体完全共格的球形GP区，可作为后续时效析出的形核核心，因此回归后经过停放的合金晶内析出相弥散度增加，析出相细小，强度较高。对于7×××系铝合金抗晶间腐蚀性能的研究认为， 晶界PFZ的存在有利于抗晶间腐蚀性能的提高。试验用7003铝合金经过RRA-2处理之后，其PFZ明显加宽，因此其抗晶间腐蚀性能最好。

3 结 论

1)试验用7003铝合金经过不同时效制度后，按照T4→T6→T53→RRA-2的顺序，抗拉强度依次下降，屈服强度依次上升，导电率依次升高；T4状态下的伸长率最高，T6状态下的伸长率最低；回归后未经室温停放的RRA-1状态下抗拉强度和屈服强度均偏低，但导电率却最高；回归后经室温停放三天的RRA-2状态下抗晶间腐蚀性能最好。

2)T4状态下晶内析出相主要以GP区为主，T6、T53以及RRA-2状态的晶内析出相以GP区和η′相为主，RRA-1状态下，晶内η′相明显长大。PFZ宽度则按照T4、T6、T53、RRA-1和RRA-2的顺序依次增加。

3)120℃24 h+175℃1.5 h(然后室温停放三天)+120℃24 h回归再时效(RRA-2)处理工艺，是提高试验用7003铝合金综合性能的有效途径。