7075-T651厚板产业化时效工艺优化

叶陶勇

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

7075属于Al-Zn-Mg-Cu 7×××系合金，是以Zn-Mg-Cu 为主要合金元素的超高强度变形铝合金，其Zn 含量为5.1%~6.1%，Mg 含量为2.0%~3.0%，Cu含量为1.2%~2.0%以及Cr含量为0.16%~0.30%。该合金早在20世纪40年代末期就已应用于飞机制造业，至今仍在航空工业上得到广泛应用。其特点是固溶处理后塑性好，尤其是热处理强化效果极佳，主要用于民用航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具等，其特有的高附加值使其成为生产企业的主要盈利产品[1]。

但在实际生产中，由于其热处理时效参数的选定不一样，导致时效生产时间长短和力学性能波动不一，从而严重影响了生产及产品性能的稳定性，因此开展7075 铝合金厚板T651 状态生产时效工艺产业化研究显得极为有必要。雷才洪等[2]研究了多级时效对7075 铝合金组织及性能的影响，张世兴等[3]研究了热处理制度对7075 铝合金显微组织和性能的影响，刘大海等[4]研究了工艺参数对7075 铝合金板材时效成形性的影响，但对时效工艺产业化研究方向较少。本文结合某厂设备能力，在其他工序工艺不做调整的情况下，通过多次实验室模拟及生产批量性验证，得出不但满足客户要求力学性能且满足现场生产条件的7075-T651合金板材最佳时效工艺参数，大大提高了生产效率，实现了规模化、产业化生产。

1 试验材料、性能指标及试验方案

1.1 试验材料

根据民用产品订货标准中的性能指标，结合某厂主要合同订单，选取典型规格为20 mm、50 mm、80 mm、100 mm、150 mm、200 mm 的7075-T651厚板作为试验材料。

1.2 性能指标

民用产品常用的订货标准EN485.2-2008 性能指标见表1。

表1 民用7075-T651厚板性能指标

1.3 试验方案

以该厂现行生产中民用7075-T651厚板板材时效工艺即120~140 ℃、保温18~30 h 为基础数据进行优化研究，采取定温、定时时效工艺进行归类统一。拟采用的实验室试验方案见表2。

表2 试验方案

选取7075-T651典型厚度规格，在其他生产工序及工艺条件不变的情况下，采取批量性生产物料经淬火、拉伸工序后取样做模拟实验，且以厚度分类跟踪不同温度和时间组合形成的时效试验方案结果。

2 试验结果与分析

在实验室同一热处理炉内按设定的组合时效制度对不同厚度试样进行试验。

2.1 20 mm厚度试验结果与分析

20 mm 厚淬火-拉伸试样的性能结果及趋势见图1。

图1 20 mm试样组合时效实验结果

由实验结果得出：

（1）共16组性能结果，其中有7组数据不符合标准值即不合格，9组数据合格。

（2）相同温度下，随着时间的增加，125 ℃及135 ℃两种制度时效态试样的强度呈上升趋势；145 ℃及155 ℃时效态试样强度呈先上升后下降趋势。

（3）各时效制度下时效态试样的延伸率相差不大，均满足标准值且富余量较大。

（4）当保温时间≤10 h 时，各时效制度的强度均较低；当保温时间≥15 h 时，125 ℃及135 ℃两种制度的强度在标准值以上且强度余量相对较大，而145 ℃及155 ℃两种制度则是强度逐渐降低，证明其处于过时效状态。

2.2 50 mm厚度试验结果及分析

50 mm厚淬火-拉伸试样的性能结果及趋势见图2。

图2 50 mm试样组合时效实验结果

由实验结果得出：

（1）在16组性能结果中，其中有7组数据不符合标准值即不合格，9组数据合格。

（2）性能试验结果数据显示其基本趋势与20mm厚试样基本一致。

2.3 80 mm、100 mm、150 mm 和200 mm 厚度试验结果及分析

为进一步确定其它厚度段的性能变化规律，分别选取了80 mm、100 mm、150 mm和200 mm四个典型厚度按组合时效制度进行试验，试验性能结果如表3~表6所示。

表3 80 mm试样时效实验性能结果

表4 100 mm试样时效实验性能结果

表5 150 mm试样时效实验性能结果

表6 200 mm试样时效实验性能结果

从表3、表4、表5和表6可以看出：

（1）厚度80 mm 力学性能结果中有8组数据不合格，8组数据合格。

（2）厚度100 mm 力学性能结果中有8 组数据不合格，8组数据合格。

（3）厚度150 mm 力学性能结果中有7 组数据不合格，9组数据合格。

（4）厚度200 mm 力学性能结果中有9 组数据不合格，7组数据合格。

（5）相同时效温度下，随时间的增加，125 ℃及135 ℃两种制度时效态试样的强度呈上升趋势；145 ℃及155 ℃时效态试样强度呈先上升后下降趋势，变化规律与20 mm厚试样结果基本一致。由此可见，合金的强化效果与时效温度和时间有着密切的关系[5]。

2.4 选定大生产验证试验方案

根据合金时效强化特点，较低的时效温度可以获得较大的时效效果，但所需时效时间较长。时效时间过长，将使合金时效过度，降低强化效果，甚至软化；时间过短，将使合金时效不足，也会降低强化效果[5]。在时效初期，合金的硬度和电导率均迅速增大，随着时间的延长，硬度值变为缓慢增大，随后具有较长时间的硬度值平台[6]。因此，结合该厂现用时效热处理设备的功能特点和6个典型厚度试验性能结果，从满足力学性能标准要求及提高生产效率方面选取交集部分和优势方案作为时效制度进行生产验证，即选取“定温（125±5）℃、保温15 h+测温生产”方式作为生产验证时效方案。

3 工业化生产验证结果及分析

根据该厂时效炉生产组炉原则，在同一时效热处理炉内选取6炉共计66批典型厚度生产物料，按定温（125±5）℃、保温15 h、测温生产方式时效，经过大生产取样做性能检测，并对各典型厚度的力学性能进行SPC 控制分析。分析结果如表7~表12所示。

表7 厚度20 mm力学性能结果

表8 厚度50 mm力学性能结果

表9 厚度80 mm力学性能结果

表10 厚度100 mm力学性能结果

表11 厚度150 mm力学性能结果

表12 厚度200 mm力学性能结果

由上表数据可得：在生产验证典型厚度性能试验结果中，66 批次力学性能全部符合民用订货标准，且富余量充足。另外，从表7～表12数据可以

看出，各典型厚度的屈服强度、抗拉强度及CV 值（变异系数）均在5%以内，说明产品性能稳定性，在可控范围内。

4 结论

通过实验模拟及生产批量规模化验证，成功开发了7075-T651 民用预拉伸厚板时效定温、定时工艺即采取测温生产方式，通过控制时效温度和时间可以对7075-T651 预拉伸板进行批量规模化、产业化生产，不但满足了客户对力学性能的要求且余量充足、波动范围小，而且提高了生产效率。其工艺控制要点为：单级时效热处理，时效定温（125±5） ℃，保温时间15 h。