7A55鋁合金預拉伸板材的回歸再時效處理

廖忠全，羅先甫，鄭子樵，蔡 彪，鐘 申

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

7A55鋁合金預拉伸板材的回歸再時效處理

廖忠全，羅先甫，鄭子樵，蔡 彪，鐘 申

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

采用拉伸性能測試、慢應變速率拉伸測試、DSC分析、電導率測試及透射電鏡觀察，研究不同回歸再時效(RRA)處理制度對7A55鋁合金淬火預拉伸(W51)板材顯微組織、拉伸性能和抗應力腐蝕(SCC)性能的影響。結果表明：采用120 ℃、24 h預時效，180 ℃、60 min回歸處理和120 ℃、24 h終時效的RRA工藝，可使7A55合金獲得與T6態相當的強度，而電導率大大提高，抗應力腐蝕性能接近T73態水平。7A55合金經適當的RRA處理后，晶內保持類似于T6狀態的顯微組織結構，為細小、彌散的η′相和極少量的η相；同時使晶界析出物的大小和分布特征與T73狀態類似，為呈斷續、孤立分布的粗化平衡相。

7A55鋁合金；回歸處理；再時效處理；應力腐蝕；微觀組織

7000系高強高韌鋁合金是航空、航天、兵器和交通運輸等行業重要的結構材料之一[1?2]。此系列合金雖然在峰時效(T6)狀態下具有很高的強度，但抗應力腐蝕(SCC)性能較差。采用雙級過時效處理如T73、T74和T76，雖然可使合金得到較好的抗應力腐蝕性能，但強度相對于T6態，一般降低10%～15%[3]。為了解決強度和抗應力腐蝕性能之間的矛盾，1974年以色列飛機公司的CINA[4]發明了回歸再時效(RRA)工藝，采用這種熱處理工藝能夠在保持鋁合金T6狀態強度的基礎上將抗應力腐蝕性能提高到接近T73水平，為此，各國開展了大量的研究工作[5?6]。RRA現已成為提高7000系鋁合金綜合性能的有效手段之一，被廣泛用于飛機機身框架、翼梁、壁板、機翼蒙皮、加強筋、起落架支撐部件和鉚釘等構件的熱處理中。

美國Alcoa公司在1991年開發了高性能Al-Zn-Mg-Cu鋁合金(7055合金，國內牌號為7A55)[7?8]，并且開發了針對7055合金的RRA熱處理工藝(T77處理)，7055-T77熱處理狀態的制品已在B777和A380等先進民用飛機中獲得廣泛的應用，如上翼蒙皮、水平尾翼、龍骨架、座軌和貨運滑軌等。我國也將采用7055合金制作國產大飛機機翼上壁板和長桁。近10年以來，國內已開展了較多關于7055合金的研究。其中，張新明課題組詳細研究了7055合金的均勻化制度和固溶處理制度[9?11]，鄭子樵課題組則在7055合金的常規RRA工藝、連續RRA工藝和雙級時效工藝方面進行了大量的研究[12?14]。但公開發表的報道主要集中在7055合金薄板，而大飛機上所用7055合金以中厚板居多，且由于國外具體的T77工藝高度保密，所以，研究和開發可工業化應用的7A55合金厚板的RRA熱處理制度對于我國大飛機的發展具有十分重要的意義。由于傳統的RRA處理工藝過程中高溫回歸時間很短(幾十秒到幾分鐘)，對于厚截面產品不適合工業化應用。因此，本文作者以工業化生產的7A55鋁合金預拉伸(W51)厚板為研究對象，通過差熱分析(DSC)、室溫拉伸、慢應變拉伸測試、電導率測量和透射電鏡(TEM)觀察，研究不同回歸溫度和時間對7A55合金晶內、晶界微觀組織演變及合金常規力學性能和抗應力腐蝕性能的影響，確定一種回歸溫度較低和回歸時間更長的RRA熱處理制度，希望更適合工業化生產條件下7A55合金厚板的RRA處理。

1 實驗

實驗材料為東北輕合金有限責任公司提供的50 mm厚7A55鋁合金淬火預拉伸(W51)熱軋板。首先進行120 ℃，24 h的預時效(T6時效處理)，然后將試樣分別在160、170、180、190和200 ℃進行回歸處理，最后進行120 ℃、24 h的再時效。作為比較，T73處理采用(108 ℃，8 h)+(177 ℃，8 h)的工藝。

拉伸樣品均是沿厚板軋制方向截取圓棒狀試樣，采用MTS 810材料試驗機進行拉伸性能測試，拉伸速率為2 mm/min。電導率測量在D60K數字金屬電導率測量儀上進行，測量前用標準塊進行校準，試樣尺寸為20 mm×20 mm×20 mm。慢應變速率拉伸實驗在WDML?1型慢速率拉伸應力腐蝕試驗機上進行，應變速率為2×10?6s?1，腐蝕溶液為3.0% NaCl + 0.5% H2O2(質量分數)水溶液，根據GB/T 15970.7—2000[15]采用慢應變速率拉伸的抗拉強度、斷裂時間和強度損失率來評價合金的抗應力腐蝕性能。透射電鏡觀察在FEI Tecnai G220透射電鏡上進行。在NETZSH STA449C差熱分析儀上對預時效試樣進行差熱分析實驗，升溫速率為10 ℃/min。

2 結果與分析

2.1 DSC分析

圖1所示為合金在120 ℃預時效24 h后的DSC曲線。由圖1可以看出，預時效狀態合金析出相的溶解溫度范圍在110～205 ℃之間，溶解的峰值溫度為179.5 ℃。

圖1 合金120 ℃預時效24 h的DSC曲線Fig. 1 DSC thermogram of studied alloy in pre-aging at 120℃ for 24 h

2.2 力學性能及電導率變化

回歸時間為45 min時，合金拉伸性能和電導率隨回歸溫度的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著回歸溫度的升高，合金強度逐漸下降；180 ℃以下合金仍然保持很高的強度，當回歸溫度超過180 ℃時，合金強度快速下降。合金電導率隨著回歸溫度的升高而單調上升，且上升幅度較大。合金在180 ℃回歸并在120 ℃再時效后的強度與160 ℃和170 ℃回歸條件下的相差不大，但是電導率提高較多；而在190和200 ℃下回歸雖然合金電導率進一步提高，但強度下降太多?？紤]到利用RRA處理是為了在保持合金較高強度水平下提高合金抗應力腐蝕性能，而電導率的升高又與合金抗應力腐蝕性能的提高緊密相連[16?17]，因此，綜合力學性能、電導率和DSC數據確定7A55合金RRA處理較優的回歸溫度為180 ℃。

圖2 回歸時間為45 min時合金力學性能和電導率隨回歸溫度的變化Fig. 2 Change of mechanical properties and conductivity of alloys after RRA at different retrogression temperatures for 45 min

圖3 180 ℃回歸溫度下RRA處理合金的力學性能和電導率隨回歸時間的變化Fig. 3 Change of mechanical properties and conductivity of alloys after RRA with different retrogression temperatures at retrogression temperature of 180 ℃

確定回歸溫度后，通過改變回歸時間來優化合金的RRA熱處理制度。圖3所示為回歸溫度為180 ℃時，7A55合金經RRA處理后的抗拉強度和電導率隨回歸時間的變化曲線。由圖3可知，在180 ℃進行回歸處理條件下，7A55合金的抗拉強度隨回歸時間的延長先略微上升再逐漸降低，電導率隨回歸時間的延長而升高。雖然進一步延長回歸時間可繼續增加合金的電導率，但也會導致合金強度太低，因此，綜合考慮確定7A55合金RRA處理的回歸時間為60 min。

本研究確定180 ℃、60 min為7A55合金RRA處理時的回歸處理制度。經此RRA處理后，合金的抗拉強度、屈服強度和電導率分別為604 MPa、578 MPa和37.4%(IACS)；與峰值時效態(T6態)合金相應性能608 MPa、546 MPa和30.6%(IACS)相比，抗拉強度只降低了4 MPa，屈服強度提高了32 MPa，電導率提高了6.8%(IACS)，表明合金的抗應力腐蝕性能大大改善；與T73態合金相應性能512 MPa、412 MPa和41.7%(IACS)相比，抗拉強度提高了96 MPa，屈服強度提高了134 MPa，電導率則下降了4.3%(IACS)。

2.3 慢應變拉伸性能

表1所列為7A55合金經不同時效處理后在空氣和腐蝕介質中進行慢應變拉伸試驗的結果。由表1可以看出：對7A55合金進行T6時效處理后，雖然在空氣中慢應變速率拉伸強度最高，但在腐蝕溶液中的強度顯著降低，且斷裂時間也明顯縮短(從在空氣中的22.2 h到溶液中的10.3 h)。經T73過時效處理后，7A55合金抗應力腐蝕性能大大提高，強度損失降至1.4%，但不利的是抗拉強度下降太多。與T6狀態相比，經本實驗確立的較優RRA工藝處理后，合金在空氣中的慢應變拉伸強度下降較少，而在溶液中的強度甚至略有提高且斷裂時間也延長；合金的抗應力腐蝕性能大幅提高，其實驗合金強度損失率下降至2.5%，接近T73過時效狀態的1.4%。這表明本實驗確定的RRA工藝可在降低較少強度的條件下顯著改善實驗合金的抗應力腐蝕性能。

表1 7A55合金的慢應變速率拉伸實驗結果Table 1 Slow strain tensile test results of 7A55 alloy

2.4 TEM觀察

圖4所示為經不同時效處理后合金的TEM像。由圖4(g)可見，經T6時效處理的樣品晶內析出相主要為GP區和細小彌散的η′相；而晶界上的η相尺寸較小，呈連續分布，且并未觀察到晶界無沉淀析出帶(PFZ)。由圖4(f)可見，經T73時效處理的樣品晶內析出相主要為粗化η′相和短棒狀η相，晶界上η相已嚴重粗化，呈斷續離散分布，晶界PFZ較寬。由圖4(a)～(f)可見，經RRA處理后的樣品，其晶界和晶內析出相形貌介于T6態和T73態樣品之間?；貧w時間為45 min，經160和180 ℃RRA處理后的樣品，晶內析出相較T6態略有長大，其析出相為η′相和極少量的η相，晶界析出相粗化且呈斷續分布(見圖4(a)和(b))；經200 ℃ RRA處理后的樣品，晶內析出相粗化明顯且η相數量增多，晶界η相極其粗化，斷續分布程度增加，晶界PFZ變寬(見圖4(c))。在180 ℃回歸15 min和60 min RRA時效處理后的樣品，其晶內析出相較T6態略有長大，但η′相和少量η相仍然呈細小彌散分布，晶界析出相比低溫回歸RRA處理態(見圖4(a))粗化程度和斷續分布程度都有所增加，晶界PFZ變寬?；貧w時間繼續延長至90 min后，雖然樣品的晶界析出相粗化程度和斷續分布程度繼續增加，晶界PFZ繼續變寬，但晶內析出相已出現了較明顯的粗化現象。

由此可見，經RRA處理后合金可以同時具有與T6時效態類似的均勻彌散的晶內析出相和與T73時效態類似的晶界析出相形貌特征。在相同的回歸時間下隨著回歸溫度的升高或在相同的回歸溫度下隨著回歸時間的延長，經RRA處理后合金的晶內和晶界析出相的粗化程度逐漸增加，晶界PFZ逐漸增寬，晶界析出相斷續程度逐漸增加。

3 分析與討論

3.1 RRA處理對合金組織和性能的影響

大量研究表明，Al-Zn-Mg-Cu系合金的時效析出過程按過飽和固溶體→GP區→η′→η相的順序進行[5?6,12]。經120 ℃第一級預時效至峰值狀態后，合金基體為GP區和細小彌散的η′相，晶界為連續鏈狀析出物η′和η相(見圖4(g))。第二級時效為回歸處理，由于晶界為溶質原子的易擴散通道，預時效時在晶界處溶質偏析程度高，形核速度快，析出相成核后迅速長大，因此，在第一級時效后已形成的較穩定η′和η相在高溫回歸下不回溶，而向著更穩定的方向演化，晶界析出物尺寸逐漸增大并開始聚集、孤立，成為斷續結構。第三級再時效過程中，回歸后過飽和狀態的合金基體中重新析出強化相，使合金的強度回復到接近峰值狀態的強度，從而使得RRA處理的合金既保持了T6峰值態的強度，又使晶界析出相形貌和特征類似于T73狀態的，從而獲得強度和抗應力腐蝕性能的良好匹配。

在回歸時間相同的條件下，隨著回歸溫度升高，合金的抗拉強度逐漸下降，這是由于隨著時效溫度的升高，達到完全回歸所需的時間縮短，隨后則是過度回歸了。過度回歸會導致晶內回溶后重新析出尺寸較大的η′和η相，并且在最終的再時效工藝中，這些析出相又會進一步長大。過高溫度回歸導致經RRA處理后合金晶內析出相較粗大，并且降低了晶內析出相的彌散度(見圖4(c))，從而導致合金強度大幅降低。同理，在同一溫度、不同回歸時間的條件下，隨著回歸時間的延長，預時效合金逐漸達到充分回歸，但繼續延長回歸時間將使合金進入過度回歸。因此，經RRA處理后合金強度會出現先略微上升再逐漸降低的現象。

3.2 RRA處理對合金抗應力腐蝕性能的影響

研究表明，合金的電導率與其抗應力腐蝕性能密切相關，電導率的大小可用來衡量合金抗應力腐蝕性能的優劣[18]。與單級峰值時效相比，經RRA處理后，合金電導率的提高(見圖2和3)對應于合金的抗應力腐蝕性能的明顯改善(見表1)。關于7XXX系合金的抗應力腐蝕機理，雖然進行了大量的研究，但仍末形成統一的認識，較為熟知的說法有鈍化膜破裂理論、陽極溶解理論和氫致破裂理論，其中，氫致破裂理論得到了較多研究者的認同。其基本觀點是，在拉伸應力作用下，晶界與表面相交處的水分與鋁合金反應生成活性氫原子，即2Al+3H2O→Al2O3+6[H]，氫原子進入晶格中，沿晶界擴散或通過形變產生的位錯管道輸運，聚集到裂紋尖端前沿，從而加速應力腐蝕過程[19]。研究表明[20]，晶界上粗大的析出物粒子能夠捕捉自由的氫原子，使之重新合成氫分子，并形成氣泡而逸出，從而降低晶界氫原子濃度和裂紋擴展速率，提高抗應力腐蝕性能。因此，晶界析出物越粗大，且彼此間距越大，越有利于抗應力腐蝕性能的改善。另一方面，合金經RRA處理后，由于晶界上平衡相充分析出，溶質原子因進入析出相而使偏聚程度減輕，致使晶內和晶界的電化學差異縮小，也有利于改善抗應力腐蝕性能，本實驗中6個回歸再時效狀態合金均具有分離、尺寸較大的晶界析出相(見圖4)，因此，具有優良的抗應力腐蝕性能。經180 ℃、60 min回歸后再時效處理的合金晶界析出物的大小和分布特征與T73態合金的比較相似，所以該狀態合金具有與T73態合金相近的優良抗應力腐蝕性能(見表1)。

4 結論

1) 7A55合金經適當的RRA處理后，晶內保持類似于T6狀態的顯微組織結構，為細小彌散的η′相和極少量的η相；同時，晶界析出物的大小和分布特征與T73狀態的類似，為呈斷續、孤立分布的粗化η相。

2) 采用120 ℃、24 h預時效，180 ℃、60 min回歸處理和120 ℃、24 h終時效的RRA工藝，可使7A55合金獲得力學性能和抗應力腐蝕性能的良好匹配。具有與T6態相當的強度，而電導率則大大提高，抗應力腐蝕性能接近T73態水平。

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(編輯 陳衛萍)

Optimum retrogression and reaging treatment of pre-stretched 7A55 aluminum alloy plate

LIAO Zhong-quan, LUO Xian-fu, ZHENG Zi-qiao, CAI Biao, ZHONG Shen
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The effects of retrogression and reaging (RRA) treatment on the microstructure, tensile properties and resistance to SCC of a pre-stretched 7A55 aluminum alloy plate were studied by tensile test, slow strain rate tensile test, DSC analysis, conductivity measurement and transmission electron microscopy(TEM) observations. The results show that perfect mechanical and stress corrosion resistance properties can be obtained if the alloy is treated by the RRA of 120℃, 24 h pre-ageing, 180 ℃, 45 min retrogression and 120 ℃, 24 h re-aging. The strength of the alloy is almost the same compared with the T6 sample, while the conductivity increases greatly, and the stress corrosion resistance property enhances to the levels of T73 condition. Treated by proper RRA, small amount ofηand a great mount of fine and dispersive precipitatesη′ are observed in the matrix which is similar to that of T6 condition, while the coarse and discontinuous equilibrium precipitates are observed at the grain boundaries which is analogous to that of the T73 condition.

7A55 Al alloy; retrogression treatment; reaging treatment; stress corrosion; microstructure

TG146.2

A

國家重點基礎研究發展計劃項目(2012CB619503)

2011-10-14；

2012-05-09

鄭子樵，教授；電話：0731-88830270；E-mail: s-maloy@csu.edu.cn

1004-0609(2012)09-2454-07