7系铝合金时效强化研究现状

王维，董晓传

天津职业技术师范大学汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室 天津 300222

1 序言

Al-Zn-Mg-Cu系合金（7系铝合金）是由Al-Zn-Mg系合金发展而来的，都是可热处理的铝合金[1]，在航空航天、交通等方面都有广泛的应用。自2000年以来，我国的热冲压技术从外国引入到现在的自主开发，已经能够完成汽车A柱、B柱和门板等车身主体部件的冲压成形。通过将成形与热处理有机地融合起来，可以很好地克服铝合金的强韧化和可成形性的问题，从而在满足力学要求的前提下，达到整车轻量化的目的[2]。在对7系合金进行进一步的研究过程中，通过对热处理过程中的时效处理进行调节，从而得到与其相匹配、更为优良的合金，这是一个新的研究趋势。

2 7系铝合金的时效强化机理

7系为一种析出相增强的铝合金，目前普遍认为，该合金的时效析出顺序为：α过饱和固溶体→GP区→η'相（MgZn2）→η相（MgZn2）。7系合金的脱溶过程比较复杂，对其性能影响较大。在时效过程中，存在着两种过渡相：η'相（MgZn2）和 T'相（Al2Mg3Zn3），与其对应的平衡相为：η相（MgZn2）、T相（Al2Mg3Zn3）。在低温下，合金中的沉淀物以GP区为主。在时效的中间阶段，沉淀物向η'相过渡，并与GP区并存。在时效的后期，基质中主要是η相[3-5]。

第二相晶粒对位错运动的影响主要体现在对位错运动的抑制上，一般将其划分为两种类型，即：变形粒子与不可变形粒子。两种不同类型的颗粒与位错间的相互作用主要表现为：位错切过和位错绕过机制[6-8]，如图1、图2所示[9]。如果粒子是可变形的颗粒，则会被位错切入并伴随基体发生形变，从而产生新的表面，增加了界面能；同时，颗粒附近形成的弹塑性应力与位错间的粒子相互作用，阻碍了位错运动，从而增强了材料的力学性能。当第二相为不可变形粒子时，位错将绕过粒子形成包围粒子的位错环。绕过机制对位错阻力颇大，因此具有强化作用。

图1 位错机制原理

图2 位错机制微观图[9]

根据位错理论：切过机制时，第二相粒子尺寸越大，体积分数越高，强化效果就越明显；绕过机制时，第二相粒子尺寸越小，体积分数越大，合金的强化效果就越好[10]。在时效过程中，析出相会对位错的移动造成阻碍，而析出相的大小、数量和分布等，对合金的强度、韧性以及S C R性能起着重要的影响，如果析出相的大小和间隔能够得到最优的匹配，那么析出的强化效果就会得到最好的发挥[11]。

3 时效制度对7系铝合金力学性能影响研究

7系铝合金的常见时效方式包括：一级时效、二级时效、三级时效。

一级时效指T6处理，在单一的温度下保温一定时长；二级时效处理（T7X）是在一级时效处理的基础上，重新加热并保持一定的温度；回归再时效处理（Retrogression and Re aging，简称RRA）是三级时效的热处理工艺，在不牺牲合金强度的前提下可提高合金的耐腐蚀性能。

一般情况下，铝合金固溶处理完后，再进行RRA处理，可以将其划分为以下3个阶段。

（1）预时效 合金在低温下，通常又可以将其分成峰时效和欠时效两种，在此期间，合金内部会产生沉淀相。

（2）二次时效 在高温条件下，细化沉淀相的退火，使颗粒状沉淀相变粗。

（3）再时效 在低温条件下，晶粒中发生再次沉淀，晶粒边界粗大而不均匀。因此，RRA工艺的每个步骤对合金的组织与性能的变化都起着关键作用[12]。

3.1 一级时效对7系铝合金的力学性能影响

经过一级时效处理后，合金的强度有显著提高，但是材料的耐蚀性较低。一级时效只与两个参数有关：时效时间和时效温度。7系铝合金在一级时效处理后，强度的提高都是伴随着耐蚀性的下降。

雷才洪等[13]发现，在一级低温时效的情况下，断裂韧窝较少，且韧窝较浅，与此同时，截面中还存在着大面积的较平区域，其韧性较差。QIN等[14]研究了T6状态下7A09铝合金的微观组织，发现在470℃×1h＋175℃×16h下的固溶体成分组织较均匀，使时效强化增强。殷剑等[15]通过对7022铝合金的微观结构和性能分析，得出了沉淀强化和细晶强化协同作用对抗拉强度、屈服强度和伸长率的影响，而第二相的数量和尺寸是影响断裂的重要因素。时效后，Mg（Zn、Cu、Al）2相在晶界及晶粒内部沉淀，呈弥散状分布，强化了晶粒阻挡位错移动的能力，提高了材料的强度和塑性，如图3所示[15]。时效初期，沉淀物会使合金的强度提高。然而，当时效温度及时效时间延长，合金的晶粒就越大，在晶界处形成的粗化第二相及增强相又会重新溶解，破坏微观结构的连续性，造成合金在受力时，出现严重的应力集中现象，进而使合金的韧性变差，降低其延展性。因此，第二相的回溶、粗化和晶粒长大是合金强度下降的重要原因。

图3 7022合金的EBSD图像和晶粒尺寸分布直方图[15]

WANG等[16]对不同一级时效48h后7055铝合金的微观结构与性能进行了研究，认为在时效过程中，固溶体分解并发生沉淀。在120℃的早期时效阶段，GP区形成，然后随着时效时间的增加而逐渐长大。时效4h后形成η'相，24h后开始出现η相。STALEY[17]研究认为，7050铝合金强度和电阻率增加的自然时效动力学与7075合金相当。然而，合金7050通过在更高的温度下时效产生峰值强度。7050在用于改善7XXX合金的抗应力腐蚀开裂性和韧性的温度范围内时效时，产生峰值强度的能力归因于Cu对增加GP区稳定性的温度范围的影响。

对于一级时效来说，合金晶内析出相细小且分布均匀是力学性能显著增强的主要原因。但是，晶界析出相的连续分布会导致腐蚀，从而使一级时效的耐蚀性较低。

3.2 二级时效对7系铝合金的力学性能影响

二级时效是较一级时效更加充分的时效，对改善一级时效耐蚀性差的现象有一定益处。因此，大量学者对二级时效的耐蚀性和力学性能进行了研究。

李晓含等[18]对7075合金进行了正交试验，优化二级时效参数，增加了7075铝合金的拉伸性能和抗SCC性能。EMANI等[19]研究了不同二级时效对板料的影响，认为一级时效和二级时效对板材性能均有影响，且二级时效的影响更大，如图4所示。LIU等[20]研究发现，与单一时效相比，二级时效使7055合金的力学性能提高，电导率降低。

图4 单次和双次时效对AA7075硬度的影响[20]

GOKHAN等[21]发现，时效温度和时间对冲击韧度和硬度的影响均与晶界析出物有关。LI等[22]在7B05铝合金二次时效过程中发现，在7B05铝合金中存在η'相、η相，可显著改善合金的强度；同时，在7B05铝合金的晶界处，存在着粗大、不连续的沉淀，可显著改善合金的导电性能。总体而言，T73时效处理相对于T6处理，使得η沉淀相在晶界上不连续分布，从而减少了合金的晶间腐蚀和剥落腐蚀，但T73处理降低了其强度。二次时效可以有效地提升合金的强度，同时，在晶界中沉淀相变得粗大而不连续，从而增加了材料的导电能力，但同时也降低了材料的力学性能。

3.3 三级时效对7系铝合金的力学性能影响

针对一级时效的耐蚀性差且二级时效有力学性能方面的损失，回归再时效处理应运而生。

回归再时效处理综合了一级时效和二级时效的优点，进而改善合金的力学性能和耐蚀性。但是其控制过程更为复杂。SUNAR等[23]研究对比了7075铝合金三级时效处理和一级时效处理，发现三级时效处理后的7075铝合金的力学性能更好。LIN等[24]对比了经T6、T73、RRA处理后7050铝合金的抗拉强度顺序为RRA（626MPa）＞T6（607MPa）＞T73（551MPa），经过RRA处理后合金的抗拉强度高于T6、T73处理[24]。YANG等[25]认为，与常规T6和T73时效相比，回归和再时效（RRA）能够提供更高的强度并改善耐蚀性。综上所述，RRA时效处理可以达到同时改善合金的力学性能和耐蚀性的效果。

4 总结与展望

1）7系铝合金在一级时效处理后，具有较高的强度，但耐蚀性较差。经过一级时效处理后，7系合金中的沉淀物变得更细小、更均匀，具有更高的强韧性。连续分布的晶界析出相导致了一级时效的耐蚀性较差。

2）二级时效处理晶界析出物粗糙且不连续，提高合金的电导率和抗腐蚀性能，但会损失部分强度。二级时效的影响更大。二级时效使7系铝合金的抗晶间、剥落耐蚀性提高，但使7系铝合金的强度有所下降。

3）采用RRA进行时效，可以使其机械强度提高，在晶界处，η相呈不连续分布，从而减少了合金的晶间和剥落耐蚀敏感性，提高了其耐蚀性。

目前，我国所用的高强度铝合金大多依赖于进口，且在制造技术上仍需改进。对7系铝合金进行时效优化，改善其力学性能的潜力很大，但时效周期较长，制约了7系铝合金的工业化应用。今后的工作主要有两个方面：一是提高合金耐蚀性；二是提高固溶温度，减少时效时间。当前，二级或多级时效最佳工艺技术还处在初步的应用阶段，亟待加速已有研究成果在实际中的应用；除此之外，新的合金成分设计、热处理工艺优化与新工艺开发，以及有关机理的研究等，都是近几年7系铝合金研发的重要方向。