高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金的發展

熊柏青，李錫武，張永安，李志輝，王 鋒，劉紅偉

(北京有色金屬研究總院 有色金屬材料制備加工國家重點實驗室，北京 100088)

1 前 言

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，又稱為7XXX系鋁合金，是目前已成功實現商業化應用的各種變形鋁合金中強度最高的一類，具有比強度和比剛度高、耐腐蝕性能和抗損傷性能良好、易加工等優點，被廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。縱觀7XXX系鋁合金的發展歷史，可以發現其與先進飛機的發展密不可分，由最初的追求單一性能發展到對綜合性能要求的不斷提高，而制品則由小規格向大規格發展。

經過80多年的發展，美歐發達國家已先后成功開發出了7X75、7X50/7010、7055/7449、7136/7056等幾代典型的7XXX系鋁合金，并在航空航天工業中得到了廣泛的應用[1-4]。進入20世紀末期，隨著現代航空航天工業的迅速發展和技術水平的不斷提高，為解決結構件焊接和鉚接帶來的諸多問題，提高裝備的整體性能和可靠性，進一步減輕裝備重量提高效能，飛機結構件呈現出大型化和整體化的發展趨勢，從而對超厚截面(150 mm以上)7XXX系鋁合金鍛件、預拉伸板制品提出了緊迫的需求。7050合金作為近30年來飛機制造業中應用最廣泛的航空鋁合金材料，具有高強度、高韌性、耐腐蝕等優良的綜合性能；但在用于制備厚度150 mm以上的預拉伸板和鍛件時，經固溶、淬火和時效處理后，發現其芯部性能與表層性能相差高達15%以上，難以滿足新一代飛機上厚截面整體式結構件制造的要求。

7XXX系鋁合金是一類典型的時效強化型合金，其通過固溶淬火得到的α固溶體的過飽和程度，對合金的時效強化效果具有決定性作用。一般來講，要想獲得高過飽和程度的α固溶體，一般需要在淬火過程中盡可能實現迅速冷卻、以避免發生淬火脫溶析出。7XXX系鋁合金在淬火過程中，α過飽和固溶體的穩定性及其發生脫溶析出的難易程度是合金的一種本征性能，被稱為淬火敏感性，而淬火敏感性的高低決定了厚截面制品在特定淬火條件下被淬透的能力。在常用生產條件下，制品不同厚度部位的淬火冷卻過程和冷卻速率差距明顯，與制品表層相比，制品芯部的淬火冷卻速率要低許多，容易發生淬火脫溶析出。顯然，為了使芯部也能獲得足夠大的冷卻速率，應盡可能選取冷卻能力大的淬火方式，如輥底爐高壓噴淋淬火等。可是，在實際生產中淬火冷卻速率越大，給制品帶來的殘余應力越大，越容易導致后續的結構件加工過程中發生扭曲變形、甚至開裂。于是，在淬火冷卻速率可提高程度非常有限的情況下，提高合金α過飽和固溶體的穩定性顯得尤為重要。因此，發展高強韌低淬火敏感性鋁合金，是滿足航空工業當前及未來發展對厚截面航空鋁合金鍛件、預拉伸板制品緊迫需求的必然選擇。

2 國外高強韌低淬火敏感性鋁合金材料的發展

20世紀90年代以來，美國、歐盟都制定了進一步發展高性能鋁合金材料、實現飛機減重增效的研發計劃(如美國鋁業公司-波音公司《航空20/20創議》、歐盟的飛機整體構件制造計劃等)，飛機構件整體化、大型化設計對厚截面材料提出了更為迫切的需求，要求在鋁合金具備高綜合性能的同時需具有高淬透性的工藝性能。為此，以美歐為代表的發達國家，通過進一步調整7XXX鋁合金主合金元素的成分配比，減少淬火敏感性合金元素含量，控制Fe，Si雜質含量等手段，相繼開發了一系列具有低淬火敏感性特征的高強韌7XXX系鋁合金，形成了以7085合金為代表新一代高強韌低淬火敏感性鋁合金材料體系，開創了航空鋁材高淬透性厚截面材料時代。表1和表2分別給出了國外發展的典型高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金的化學成分和主要設計性能。

其中，法國Pechiney集團曾在1996年率先開發注冊了具有較低淬火敏感性的7040合金，與7010/7050-T74/76合金超厚板相比，7040-T74/76合金超厚板具有更低的殘余應力，強度提高了3.5%～7%，斷裂韌性KIC提高了12%～14%，疲勞裂紋擴展速率也有所改善；厚板的最大厚度規格可達220 mm，不僅可以用于整體翼肋和翼梁的機加工，還可以代替昂貴的鍛件實現三維拱形件的加工，在A340-600上得到了廣泛應用。加拿大Alcan公司在2003年收購法國Pechiney集團鋁資產和業務后繼續開展研究，并在2005年開發注冊了改良型的7140鋁合金。

表1 國外發展的典型高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金的化學成分[5]

表2 國外發展的高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金的主要設計性能(L /L-T方向)

最具代表性的7085合金是美國Alcoa公司在2002年開發注冊、于2004年正式公開報導的一種全新的損傷容限型鋁合金，具有高的強度、斷裂韌性和低的淬火敏感性、疲勞裂紋擴展速率等良好的綜合性能，特別是優異的淬透性，適合于制造整體、厚截面的飛機主承力結構件。與7050-T7451合金超厚板(152 mm)相比，7085-T7651合金超厚板(152 mm)的芯部強度性能至少提高了10%以上，斷裂韌性KIC值和抗應力腐蝕性能基本相當；與7050-T7452合金鍛件相比，7085-T7452合金鍛件具有更高的淬透性，強度提高12%左右，斷裂韌性KIC值提高15%～20%[6-7]。目前，7085合金已在波音787飛機起落架支撐件和空客A380飛機的翼梁、肋等重要承力構件制造中獲得成功應用，采用7085合金材料有效解決了飛機厚截面重要部件承載大、長壽命、抗疲勞等需求。其中，用7085合金制造的A380翼粱，是目前世界上最大的模鍛件(如圖1所示)；7085合金整體大鍛件還被用于美國五代先進戰機F35主艙壁的制造，如圖2所示。近來，美國Alcoa公司放寬了對7085合金Fe,Si等雜質含量的控制要求，于2010年注冊了7185鋁合金，主合金成分控制范圍基本無變化。

Aleris鋁業于2005年開發注冊了具有低淬火敏感性的7081合金，7081-T76/T74具有較7050-T74更加優良的綜合性能，其設在德國的科布倫茨(Koblenz)軋制廠生產的100～170 mm的厚板擬用于飛機機身、機翼和連接件的制造[8]；并于2009年注冊了改良型的7181鋁合金，對主合金成分控制范圍進行了微調，降低了雜質元素Fe,Si含量。德國奧托-福克斯公司(Otto Fuchs KG)通過降低主合金元素Cu,Mg含量和雜質元素Fe,Si含量，提高主合金元素Zn含量，于2006年開發注冊了一種新型的7037鋁合金，于2008年正式公開報導。7037-T76/T74合金具有比相同熱處理狀態下7050和7010合金更好的綜合性能，具有高的強度、延性、斷裂韌性以及好的疲勞性能和抗應力腐蝕性能，極限抗拉強度提高了7%。7037-T76/T74合金可用于最大厚度規格達到150～270 mm的鍛件生產，將應用于空客A 400M軍用巨型運輸機上[9]。

圖1 目前世界上最大的模鍛件——7085合金制造的A380翼粱Fig.1 World’s largest aluminum die-forgings: A380 Wing Spars (Alloy 7085)

上述最新研制的用于飛機厚截面部件制造的高強韌低淬火敏感性鋁合金，在綜合性能上各有特色，相比較而言，7040/7140合金和7085合金的研制更為成熟一些，并廣泛投入實際應用；其中7085合金對Fe,Si等雜質含量的控制要求最嚴格，而且從目前公開的總體性能上講，7085合金表現優異，而且其淬透性更為出色，鍛件厚度可以允許高達300 mm，而且從空客A380飛機最主要的承力件——(后)翼粱采用7085合金制造也可以佐證這一點。

圖2 7085-T7452合金整體大鍛件制造的F35戰機主艙壁Fig.2 The 7085-T7452 alloy large-scale die forgings used to manufacture main bulkhead for the F35 fighter

需要特別補充一點，美國Alcoa公司開發的7085合金成分特征與俄羅斯在20世紀70年代開發的1933鋁合金具有較高的相似性。屬7XXX系鋁合金的1933鋁合金是一種典型的高強韌鋁合金，具有良好的耐蝕性能和較優的淬透性，非常適合制作厚截面鍛件。俄羅斯生產的大部分戰斗機以及歐洲空客飛機均采用1933鋁合金鍛件，該合金鍛件也是目前我國航空工業的重要結構材料。可以講，1933合金是一種最早開發的、已商用化的高強韌低淬火敏感性鋁合金。

法國還在2008年注冊了7041合金，與7040合金相比，顯著降低了Cu的含量(遠低于1%)，并放寬了Fe，Si等雜質含量的控制要求。美國也在2011年注冊了具有較7085合金更高強度的7099鋁合金，具有較低的、與7040鋁合金接近的淬火敏感性特征。對于7041鋁合金和7099鋁合金以及改進型合金7185、7181鋁合金的性能用途至今尚未見到相關報道，其原因可能是出于技術保密，也不排除只為搶占合金牌號而注冊的可能。

對現已注冊的高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金的成分范圍進行梳理和歸納可以發現，有一個共同點，即Cu和Mg的含量基本維持在一個較低的水平，成分范圍的平均線分別處在1.9%和2.0%以下。這與相關研究結果一致，在7XXX系鋁合金的主合金元素中，Cu屬于淬火敏感性元素、Mg次之，低Cu含量是低淬火敏感性鋁合金的標志特征之一。

近年來，由于科技水平的增強和研究工作支持力度的加大，可以說，高強韌低淬火敏感性鋁合金研制工作的進展速度是空前的，目前已經取得了許多可喜的成果，但其是否能夠完全成為最終的跨代產品還需要進一步的實踐考驗；而且7085合金還存在著一些不足，當7085-T76/T74合金用于中厚板制造時，與7050-T76/T74合金相比幾乎沒有優勢，該類合金的研究和改進工作還需進一步開展。

在新型合金開發的同時，國外很多學者在7XXX鋁合金低淬火敏感性的影響因素及評價方法等方面也進行了大量的研究工作[10-13]，研究表明，低的合金元素總含量，低的Cu含量，高的Zn/Mg比，控制Cr、Mn的含量并利用Zr代替的Cr、Mn，減少雜質含量，減少組織中的第二相的數量，提高組織均勻性，均有利于降低合金的淬火敏感性；合金的淬火敏感性可以通過測定合金的硬度、電導率、力學性能等的時間-溫度-性能(TTP)曲線(又稱為C曲線)來評價，在TTP曲線的基礎上可以采用淬火因子分析(Quench Factor Analysis, QFA)的方法來改善合金的淬火工藝，并對一些性能進行預測，還可以采用末端淬火法對鋁合金的淬透性進行評價。

3 國內高強韌低淬火敏感性鋁合金材料的發展

我國7XXX系鋁合金材料的研制生產工作起步于20世紀60年代，截止到2003年底為止，雖仿制成功了B95、7X75等俄美系列鋁合金，初步形成了我國7XXX系鋁合金的材料牌號和狀態體系，但大多屬于傳統老牌號合金的仿制生產。直到2006年以后，隨著包括7XXX系鋁合金在內的“輕質高強金屬結構材料”被列入《國家中長期科技發展規劃綱要》制造業領域基礎原材料優先主題，以及面臨我國新一代飛機材料的國產化問題，在國家相關科技計劃的支持下，尤其是在國產大飛機重大科技專項的有力推動下，我國7XXX系高強韌鋁合金工業水平，已經從21世紀初期只能簡單仿制西方國家20世紀六七十年代商業化的各種第二代產品，迅速發展到能在工業化規模上大批量仿制生產以7050鋁合金不同規格制品為代表的第3代產品、在小批量規模上仿制生產以7150/7055鋁合金不同規格制品為代表的第4代產品；同時，在高強韌低淬火敏感性7XXX系鋁合金仿制和研制方面也取得了重大進展，先期引進的俄系1933鋁合金已獲成功仿制生產，特別是突破了西方國家以7085/7081鋁合金厚截面制品為代表的第5代產品的專利制約，自主開發成功了強度級別和綜合性能相類似、具有主合金成分設計核心自主知識產權的7B85高強韌低淬火敏感性鋁合金材料及其制備技術，實現了小批量生產試制供貨，初步滿足了現階段國產大飛機研制發展的需要。

基于對國外7085合金為代表新一代高強韌低淬火敏感性鋁合金的跟蹤，我國從2004年起，北京有色金屬研究總院、北京航空材料研究院、中南大學等科研院校單獨或聯合中鋁公司開展了相關研發工作，積累了大量的基礎數據和研制經驗，制備得到了與國外同類產品性能相當的小規格制品。其中，北京有色金屬研究總院在國家863計劃項目、國際科技合作計劃項目、國家自然科學基金項目的支持下，通過系統開展大量理論計算分析與實驗驗證工作，揭示了影響7XXX系鋁合金淬火敏感性的兩個主要因素——主成分元素對合金過飽和固溶體穩定性影響、淬火過程中的誘導析出行為：從晶格畸變的角度闡明了Cu為7XXX系鋁合金淬火敏感性元素的觀點，確定了相同數量溶質原子引起基體晶格畸變大小的次序為Cu，Mg，Zn，合金的成分決定著合金基體過飽和固溶體的穩定性；揭示了晶界和亞晶界、殘余凝固析出相、均勻化處理形成的彌散相對淬火脫溶相的誘導形成機理，確定了7XXX系鋁合金中淬火誘導析出η平衡相的非均質形核點的優先次序為晶界、亞晶界、第二相粒子(富Mn/Cr相、Al3Zr彌散相等)。在此基礎上，北京有色金屬研究總院針對7085合金強度性能尚顯不足的問題，通過調整主合金元素含量及Zn/Mg比，適當提高合金中主強化元素Zn和Mg的含量，進一步降低合金中淬火敏感性元素Cu的含量，于2009年成功開發了一種具有完全自主知識產權的、新型高強韌低淬火敏感性鋁合金材料(國內注冊牌號7B85)，該材料具有高強度、高斷裂韌性、高抗疲勞性能、高耐蝕性能、特別是高淬透性等特點(合金淬火敏感性如圖3中合金TTP曲線所示)[14-15]，工業化試制材料的全面性能已完全達到國產大飛機的相關設計要求，從而為國產大飛機的研制提供了關鍵材料的技術支撐；其主成分設計及關鍵制造工藝于2011年獲得國內發明專利授權、通過了國際知識產權組織(PCT)審核并獲公布，標志著我國在國產大飛機用先進航空鋁合金材料領域首次擁有了核心知識產權。

圖3 幾種典型鋁合金的TTP曲線(99.5% HVmax)Fig.3 TTP curves representing 99.5% of maximum attainable Vickers hardness for several typical aluminum alloys

從2008年國產大飛機專項啟動之后，國產高強韌低淬火敏感性鋁合金材料的研制繼續得到國產大飛機材料專項的大力支持，現正在中鋁公司西南鋁開展該合金厚截面鍛件及預拉伸板的工業化試制工作，已形成了以中國鋁業公司為核心的產業化隊伍，以北京有色金屬研究總院、中南大學為核心的合金材料及工業化生產技術研發隊伍，以北京航空材料研究院為核心的工程化應用技術研究隊伍，以西飛公司、上飛公司、成飛公司、沈飛公司為代表的用戶體系，高強韌低淬火敏感性鋁合金材料的工業化試制現已取得顯著進展。特別是從2012年國家973計劃項目“航空高性能鋁合金材料的基礎研究”啟動之后，專門針對該類合金鍛件和預拉伸板厚度增大之后出現的組織和性能的不均勻現象，根據工廠現有條件，研究團隊通過進一步對合金成分進行精細設計、并結合建立高強韌低淬火敏感性鋁合金厚截面材料組織性能均勻性的調控技術，為解決工廠生產中的實際問題提供了強有力的技術支撐，有望促使國產高強韌低淬火敏感性鋁合金材料在我國國產大飛機等航空制造工業中獲得更為廣泛的應用。

4 結 語

隨著航空工業的迅猛發展，飛機結構件呈現出大型化和整體化的發展趨勢，對航空鋁合金也將提出越來越高的強度、斷裂韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性能要求，同時將越來越關注材料均勻一致性。高強韌低淬火敏感性鋁合金之所以具有高淬透性，正是其成分設計和組織控制良好結合的反映。因此，在厚截面7XXX系鋁合金材料的設計和生產過程中，通過成分優化設計和組織控制來最大可能地降低合金的淬火敏感性，是發展新一代高強韌低淬火敏感性鋁合金材料的必由之路。

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