本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高7xxx系鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法。

背景技術(shù)：

能源和環(huán)境危機(jī)的日益嚴(yán)重促進(jìn)了結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展，以高強(qiáng)鋁合金替代鋼鐵材料應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中已經(jīng)成為大的趨勢(shì)。7xxx系鋁合金為超高強(qiáng)鋁合金，其由于具有更高的比強(qiáng)度而被廣泛地應(yīng)用于航空航天與現(xiàn)代交通領(lǐng)域。但由于7xxx系鋁合金多用于飛機(jī)和列車等交通工具的結(jié)構(gòu)件中，其服役環(huán)境復(fù)雜，易受應(yīng)力、溫度、天氣、腐蝕介質(zhì)、沖刷作用、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的影響，常使鋁合金構(gòu)件失效。因此，7xxx系鋁合金的低耐蝕性極大限制了其應(yīng)用。

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)7xxx系鋁合金構(gòu)件的綜合性能提出了新的要求，很多關(guān)鍵構(gòu)件除要求高強(qiáng)度之外，還對(duì)其韌性和耐腐蝕性能等指標(biāo)提出了很高的要求。傳統(tǒng)的等溫?zé)崽幚砑夹g(shù)僅僅局限在鋁合金簡(jiǎn)單地時(shí)效強(qiáng)化，對(duì)鋁合金晶粒特征、析出相尺度和分布等顯微組織的精細(xì)調(diào)控遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同時(shí)，大量研究顯示，鋁合金的強(qiáng)度和耐蝕性是矛盾的，提高7xxx系鋁合金的強(qiáng)度往往會(huì)帶來(lái)其腐蝕性能的降低，例如傳統(tǒng)的T6時(shí)效態(tài)具有高強(qiáng)度但腐蝕性能差，而T7時(shí)效態(tài)的腐蝕性能較T6態(tài)好卻降低了合金的強(qiáng)度。因此，傳統(tǒng)的時(shí)效工藝已經(jīng)難以滿足未來(lái)7xxx系鋁合金板材高綜合性能的要求。目前，大多研究主要著手于時(shí)效過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化時(shí)效工藝改進(jìn)7xxx系鋁合金性能。在7xxx系鋁合金中，由于整個(gè)時(shí)效過(guò)程會(huì)有不同類型及不同尺寸的析出物析出，析出物的類型、尺寸及分布對(duì)合金力學(xué)性能和腐蝕性能有著重要的影響。但由于7xxx系鋁合金的時(shí)效過(guò)程中的可控參數(shù)較小，僅通過(guò)時(shí)效工藝對(duì)鋁合金強(qiáng)度的提高顯得十分有限，通常不容易超過(guò)600MPa的極限抗拉強(qiáng)度，且易以犧牲其腐蝕性能為代價(jià)。有學(xué)者通過(guò)一些不同尋常的方法，如劇烈塑性變形（等通道擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等）獲得細(xì)晶材料的方法，實(shí)現(xiàn)了7xxx系鋁合金強(qiáng)度的大幅度提高，但是這種方法需要鋁合金產(chǎn)生巨大的變形量，技術(shù)難度大，很難制造大尺寸的產(chǎn)品，且與目前工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備所能達(dá)到的加工能力差距大，其加工成本高，難以推廣應(yīng)用。因此，尋找既能提高7xxx系鋁合金綜合性能，又能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的使用，同時(shí)降低生產(chǎn)成本的方法是十分有意義的。

預(yù)拉伸是鋁合金常用且技術(shù)成熟的加工硬化工藝。鋁合金層錯(cuò)能較高，在室溫下拉伸變形之后就會(huì)得到更多的位錯(cuò)及更高的畸變能，而大量位錯(cuò)和高的畸變能正是7xxx系鋁合金后續(xù)處理時(shí)所期望的。由于拉伸后形成的高密度位錯(cuò)對(duì)材料的回復(fù)和再結(jié)晶有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用，再時(shí)效時(shí)發(fā)生回復(fù)和部分再結(jié)晶得到細(xì)小的等軸晶，同時(shí)高密度位錯(cuò)促進(jìn)析出的GP區(qū)向η″的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲得彌散的η″相，而這正是兼顧合金強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性的理想的微觀結(jié)構(gòu)特征。但是拉伸后，由于加工硬化的存在，高的強(qiáng)度必然會(huì)犧牲合金的塑性，同時(shí)拉長(zhǎng)的晶粒也會(huì)損害合金的剝落腐蝕抗力，這在生產(chǎn)實(shí)際中是不能容忍的。此外，拉伸變形量過(guò)大合金的塑形顯著降低且加工費(fèi)事，變形量太小又得不到足夠的形變儲(chǔ)能來(lái)促進(jìn)析出。而時(shí)效溫度對(duì)時(shí)效后的微觀結(jié)構(gòu)也有重要影響，時(shí)效溫度過(guò)高，就會(huì)得到粗大的晶粒和η″相，并且η″相密度也會(huì)減小，這種微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能是不利的；時(shí)效溫度偏低，只能析出強(qiáng)化效果較弱的原子團(tuán)簇，很難析出β″相，時(shí)效強(qiáng)化效果較差。因此，為了改善合金綜合性能，通過(guò)應(yīng)變時(shí)效過(guò)程溫度和形變量的調(diào)控對(duì)位錯(cuò)和析出物的類型、尺寸及分布進(jìn)一步調(diào)控是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高7xxx系鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法，該形變時(shí)效方法能較好地調(diào)控鋁合金基體析出相和晶界上析出相的尺寸及分布，提升鋁合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性，且該方法簡(jiǎn)單容易操作。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種提高7xxx系鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法，其包括如下步驟：

1）強(qiáng)化固溶處理：將鋁合金在460~480℃保溫45~120 min進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理；

2）淬火：將步驟1）固溶后的鋁合金材料迅速水冷淬火至室溫；

3）預(yù)拉伸變形：將步驟2）處理后的鋁合金材料進(jìn)行變形量為3~8%的室溫拉伸，然后將其在冰水中浸泡20~60min后，在3~8℃條件下保存；

4）一級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟3）拉伸后的鋁合金在100~130℃進(jìn)行低溫時(shí)效處理10~30 h，再立即用冰水淬火冷卻；

5）二級(jí)回歸時(shí)效處理：將步驟4）一級(jí)時(shí)效處理后的鋁合金材料在190~240℃進(jìn)行高溫回歸時(shí)效處理10~60min；

6）二次拉伸變形：將步驟5）處理后的鋁合金材料再進(jìn)行變形量為3~8%的室溫拉伸，然后將其在冰水中浸泡20~60min后，在3~8℃條件下保存；

7）三級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟6）二次拉伸后的鋁合金材料在80~100℃進(jìn)行低溫再時(shí)效處理20~30 h，然后水冷至室溫。

本發(fā)明先將鋁合金加熱到溶解度曲線附近溫度進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理，以使鋁合金中的合金元素充分溶入到鋁基體當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)均勻分布；然后將固溶后的材料快速冷卻，使鋁基體中的合金元素來(lái)不及擴(kuò)散而被保留下來(lái)，形成與高溫狀態(tài)類似的組織，即過(guò)飽和固溶體；經(jīng)一次低溫拉伸后將材料進(jìn)行一級(jí)低溫時(shí)效處理，有利于使晶粒細(xì)化且形成強(qiáng)化效果更大的強(qiáng)化相，使鋁合金強(qiáng)化；再通過(guò)高溫回歸時(shí)效處理使得晶內(nèi)細(xì)小彌散的析出相回溶進(jìn)基體，進(jìn)而調(diào)控晶界處粗大的析出相分布，還可以使變形合金在高溫下發(fā)生回復(fù)再時(shí)效得到細(xì)小等軸晶，以進(jìn)一步提高鋁合金抗腐蝕能力；最后將二次低溫拉伸后的材料進(jìn)行三級(jí)低溫時(shí)效處理，可進(jìn)一步促使晶粒細(xì)化且形成強(qiáng)化效果更大的強(qiáng)化相，使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。

本發(fā)明工藝中，強(qiáng)化固溶+形變時(shí)效處理是關(guān)鍵步驟。首先，強(qiáng)化固溶能使鋁合金中的合金元素充分溶解進(jìn)基體，形成過(guò)飽和固溶體；接著經(jīng)一級(jí)形變低溫時(shí)效可以在基體中預(yù)先形成大量彌散的GP區(qū)，這些GP區(qū)在低溫拉伸能釘扎位錯(cuò)，提高變形產(chǎn)生的位錯(cuò)數(shù)量；而二級(jí)高溫回歸時(shí)效時(shí)，高密度位錯(cuò)促進(jìn)了回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生，加之預(yù)時(shí)效產(chǎn)生的GP區(qū)可以直接轉(zhuǎn)化成細(xì)小彌散的η″相，而得到理想的微觀結(jié)構(gòu)，使鋁合金具有很高的強(qiáng)度和塑性。因此本發(fā)明中采用固溶、淬火、預(yù)時(shí)效、低溫拉伸和再時(shí)效的處理方法，可以使鋁合金獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。經(jīng)檢測(cè)，處理后的鋁合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)650MPa、屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa，斷裂韌性可達(dá)42 MPa/m^1/2，可應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)件如艦載機(jī)、大型艦船等結(jié)構(gòu)件上，在保證力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，鋁合金耐腐蝕性能也得到提高，可充分發(fā)揮鋁合金的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明方法處理后的7xxx系鋁合金具有理想的析出組織形貌、含量與分布，不僅可使其包括強(qiáng)度、耐蝕性在內(nèi)的綜合力學(xué)性能均有所提升，且其工藝流程簡(jiǎn)單、操作難度低，普通工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備即可進(jìn)行相關(guān)處理，加工成本低廉，具有良好的可推廣性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明工藝流程圖。

圖2為本發(fā)明處理后7050鋁合金的斷口形貌SEM圖。

圖3為不同工藝處理所得鋁合金樣品的室溫拉伸曲線圖。

圖4為不同工藝處理所得鋁合金樣品在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕慢拉伸曲線圖。

圖5為不同工藝處理所得鋁合金樣品在海水環(huán)境中浸泡72h后的表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅限于此。

實(shí)施例1

一種提高鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法，包括如下步驟：

1）強(qiáng)化固溶處理：將7050鋁合金在470℃鹽浴爐中保溫60 min進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理；

2）淬火：將步驟1）固溶后的鋁合金材料迅速水冷淬火至室溫，其轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)小于15s；

3）預(yù)拉伸變形：將步驟2）處理后的鋁合金材料在室溫下進(jìn)行單向拉伸，拉伸變形量為5%，然后將其在冰水中浸泡20min后，在3~8℃條件下保存；

4）一級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟3）拉伸后的鋁合金材料在120℃進(jìn)行低溫時(shí)效處理24 h，再立即用冰水淬火冷卻，使得合金接近峰時(shí)效態(tài)，提高鋁合金的強(qiáng)度；

5）二級(jí)回歸時(shí)效處理：將步驟4）一級(jí)時(shí)效處理后的鋁合金材料在200℃進(jìn)行高溫回歸時(shí)效處理30min；

6）二次拉伸變形：將步驟5）處理后的鋁合金材料再進(jìn)行變形量5%的室溫拉伸，然后將其在冰水中浸泡30min后，在5℃條件下保存；

7）三級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟6）二次拉伸后的鋁合金材料在90℃進(jìn)行低溫再時(shí)效處理24 h，然后水冷至室溫。

圖2為本實(shí)施例處理后7050鋁合金的斷口形貌SEM圖。從圖2可以看出，處理后的7050鋁合金的斷口有許多細(xì)小韌窩，即具有良好的斷裂延展性，且其斷裂為塑性斷裂。

實(shí)施例2

一種提高鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法，包括如下步驟：

1）強(qiáng)化固溶處理：將7050鋁合金在480℃鹽浴爐中保溫45 min進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理；

2）淬火：將步驟1）固溶后的鋁合金材料迅速水冷淬火至室溫，其轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)小于15s；

3）預(yù)拉伸變形：將步驟2）處理后的鋁合金材料在室溫下進(jìn)行單向拉伸，拉伸變形量為3%，然后將其在冰水中浸泡30min后，在3~8℃條件下保存；

4）一級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟3）拉伸后的鋁合金材料在100℃進(jìn)行低溫時(shí)效處理30 h，再立即用冰水淬火冷卻，使得合金接近峰時(shí)效態(tài)，提高鋁合金的強(qiáng)度；

5）二級(jí)回歸時(shí)效處理：將步驟4）一級(jí)時(shí)效處理后的鋁合金材料在240℃進(jìn)行高溫回歸時(shí)效處理10min；

6）二次拉伸變形：將步驟5）處理后的鋁合金材料再進(jìn)行變形量3%的室溫拉伸，然后將其在冰水中浸泡20min后，在3℃條件下保存；

7）三級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟6）二次拉伸后的鋁合金材料在100℃進(jìn)行低溫再時(shí)效處理20 h，然后水冷至室溫。

實(shí)施例3

一種提高鋁合金綜合性能的多級(jí)形變時(shí)效方法，包括如下步驟：

1）強(qiáng)化固溶處理：將7050鋁合金在460℃鹽浴爐中保溫120 min進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理；

2）淬火：將步驟1）固溶后的鋁合金材料迅速水冷淬火至室溫，其轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)小于15s；

3）預(yù)拉伸變形：將步驟2）處理后的鋁合金材料在室溫下進(jìn)行單向拉伸，拉伸變形量為8%，然后將其在冰水中浸泡60min后，在3~8℃條件下保存；

4）一級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟3）拉伸后的鋁合金材料在130℃進(jìn)行低溫時(shí)效處理10 h，再立即用冰水淬火冷卻，使得合金接近峰時(shí)效態(tài)，提高鋁合金的強(qiáng)度；

5）二級(jí)回歸時(shí)效處理：將步驟4）一級(jí)時(shí)效處理后的鋁合金材料在190℃進(jìn)行高溫回歸時(shí)效處理60min；

6）二次拉伸變形：將步驟5）處理后的鋁合金材料再進(jìn)行變形量8%的室溫拉伸，然后將其在冰水中浸泡60min后，在8℃條件下保存；

7）三級(jí)低溫時(shí)效處理：將步驟6）二次拉伸后的鋁合金材料在80℃進(jìn)行低溫再時(shí)效處理30 h，然后水冷至室溫。

對(duì)比例1

將7050鋁合金在470℃鹽浴爐下保溫60 min進(jìn)行固溶處理，然后在水中淬火至室溫，隨后進(jìn)行工業(yè)上常用的人工時(shí)效，即進(jìn)行100℃一級(jí)時(shí)效處理6h后，于160℃進(jìn)行二級(jí)時(shí)效處理20 h，達(dá)到過(guò)時(shí)效態(tài)，記為T7。

對(duì)比例2

將7050鋁合金在470℃空氣爐中保溫60 min進(jìn)行固溶處理，然后在水中淬火至室溫，隨后立即進(jìn)行80℃一級(jí)時(shí)效處理6h，再于120℃進(jìn)行二級(jí)時(shí)效處理30 h，達(dá)到峰時(shí)效狀態(tài)，獲得高的時(shí)效強(qiáng)度，記為T6。

采用GB/T 288.1-2010的方法，將實(shí)施例1-3、對(duì)比例1和對(duì)比例2所得鋁合金樣品進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試、3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕慢拉伸和模擬海水腐蝕條件下浸泡72h測(cè)試，其結(jié)果分別見(jiàn)圖3、4和5。

圖3為實(shí)施例1-3、對(duì)比例1和對(duì)比例2所得鋁合金樣品在室溫下的拉伸曲線。由圖中可見(jiàn)，實(shí)施例1-3所得鋁合金樣品的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均高于對(duì)比例1和對(duì)比例2，且延伸率也更好。其中，實(shí)施例1所得鋁合金的室溫拉伸綜合力學(xué)性能最好，其屈服強(qiáng)度為610MPa，抗拉強(qiáng)度為670MPa，總伸長(zhǎng)率為13.8%。

圖4為實(shí)施例1-3、對(duì)比例1和對(duì)比例2所得鋁合金樣品在3.5%NaCl溶液中的慢拉伸曲線，拉伸應(yīng)變速率為10^-6/s^-1。由圖4清晰可見(jiàn)，在3.5%NaCl溶液中，實(shí)施例1-3所得鋁合金樣品的拉伸強(qiáng)度和延伸率均要優(yōu)于對(duì)比例1和對(duì)比例2；其中實(shí)施例1所得鋁合金樣品的保持屈服強(qiáng)度為460MPa，抗拉強(qiáng)度為480MPa，總伸長(zhǎng)率11%。由此說(shuō)明，本發(fā)明與傳統(tǒng)工藝相比能有效提高鋁合金的應(yīng)力腐蝕抗力。

圖5為實(shí)施例1-3、對(duì)比例1和對(duì)比例2所得鋁合金樣品在海水環(huán)境中浸泡72h后表面形貌。由圖5可見(jiàn)，對(duì)比例1和對(duì)比例2所得鋁合金樣品在海水環(huán)境中浸泡72h后，合金的邊緣出現(xiàn)了明顯的腐蝕損傷，而實(shí)施例1-3所得鋁合金樣品的表面腐蝕程度較輕，只是在實(shí)施例2表面存在一些腐蝕鹽形成的表面不平。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果證明，本發(fā)明處理方法在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，也可一定程度提高鋁合金的耐腐蝕性，是一種理想的處理方法。

需要說(shuō)明的是，盡管本發(fā)明只選擇了牌號(hào)為7050的鋁合金進(jìn)行測(cè)試，但是7xxx系鋁合金的強(qiáng)化形式、析出類型、析出規(guī)律基本一致。因此，本發(fā)明在本發(fā)明公開(kāi)的工藝參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)形變熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整也可以應(yīng)用于其他牌號(hào)的7xxx系鋁合金。