形變熱處理對7075鋁合金組織和性能的影響

陳 琳

（西南鋁業（集團）有限責任公司 重慶 九龍坡 401326）

0 前 言

7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強化多元時效合金，是航空航天領域的主要結構材料之一，具有高強度、低密度和熱加工性能好等優點。目前，開發和發展高性能鋁合金主要是圍繞提高材料的強度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展研究，通過調整合金成分、添加新的合金元素、新的加工和制造技術等途徑進行開發研究[1、2]。

形變熱處理是將形變強化和相變強化相結合的強韌化工藝技術，通過形變增加金屬中缺陷(主要是位錯)的密度并改變其分布，熱處理相變時這些形變時產生的缺陷將影響新相的形核動力學和分布，同時，新相的形成又對位錯等缺陷的運動起釘扎、阻滯作用，使金屬中的缺陷穩定、組織細化，從而提高其強度和韌性[3]。目前，研究較多的是可熱處理強化鋁合金的最終形變熱處理[4]。Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si鋁合金采用最終形變熱處理，可大幅提高合金的強度，但Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金采用上述相同的形變熱處理工藝后，合金板材的時效強度反而明顯下降[4～6]。本文采用“軋制→淬火→預時效→形變處理→終時效”的加工工藝，研究形變熱處理對7075鋁合金組織和性能的影響，為工業化生產提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的力學性能提供參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為重慶鼎發鋁加工有限責任公司提供的規格為25×600×1800mm7075鋁合金熱軋板材，合金板材實測化學成分（質量分數，%）為：0.05Si、0.31Fe、1.44Cu、0.04Mn、2.40Mg、0.23Cr、5.56Zn、0.02Ti，余量為Al。

1.2 實驗方法

實驗先對預留冷變形量的厚度為25mm的7075合金熱軋板材進行固溶淬火處理，淬火加熱溫度為470±5℃，保溫時間為120min，室溫水冷，淬火轉移時間小于25s。淬火處理之后，將上述鋁合金進行預時效處理，預時效處理溫度為105℃，保溫時間為240min。預時效處理后，對厚度為25mm的鋁合金板材進行冷軋變形，鋁合金板材最終厚度為20mm，變形率為20%。形變處理后，對合金進行終時效處理，終時效處理的溫度為110±5℃，保溫時間為1440min。

為比較研究形變熱處理對7075合金性能的影響，對直接熱軋的厚度為20mm的7075合金板材進行常規固溶淬火處理，淬火加熱溫度為470±5℃，保溫時間為120min，室溫水冷，淬火轉移時間小于25s；淬火后將合金板材進行峰值時效處理，時效加熱溫度為120±5℃，保溫時間為1440min。

實驗中固溶淬火處理在自動淬火電阻爐中進行，時效處理在箱式電阻爐中進行。固溶淬火預時效及終時效后合金板材分別取樣，對試樣進行預磨、精磨、拋光、腐蝕制備金相試樣，在光學顯微鏡和電子掃描電鏡下觀察樣品的金相組織。對形變熱處理后和常規熱處理（T6態）后的合金板材分別取樣，在電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗，檢測合金板材室溫力學性能。

2 實驗結果

2.1 形變熱處理后合金的力學性能

對形變熱處理后和常規熱處理（T6態）后、厚度均為20mm的合金板材分別取樣，檢測比較合金板材室溫力學性能（LT），結果見表1。

表1 7075鋁合金形變熱處理和常規熱處理（T6態）力學性能比較（LT向）

實驗結果表明，同常規T6態峰值時效熱處理比較，7075合金板材采用形變熱處理后，合金抗拉強度和屈服強度均有大幅提高（100MPa），延伸率基本相當，依然保持了較好的塑性。表1的結果表明，形變熱處理能有效的提高合金的力學性能。

2.2 合金金相組織

7075合金不同時效處理時的組織形貌及SEM形貌分別示于圖1和圖2。

圖1 7075合金不同時效處理時的組織形貌

圖2 7075合金不同時效處理時的SEM形貌

實驗結果表明，低溫預時效處理后，合金板材為扁平細長的再結晶組織，在晶界和晶內有彌散分布的細小沉淀相析出；在經過20%的冷軋變形、再時效處理后，合金晶粒變得更為扁平細小，析出的均勻細小沉淀相的密度明顯增加，且可以觀察到清晰的位錯帶組織。

圖3 7075合金SEM形貌和能譜分析

表2 7075試驗板材主要物相的能譜分析（質量分數/%）

表1的能譜分析結果表明，合金淬火預時效后主要存在有θ′（CuAl2）相，其中含有部分雜質Fe和少量的Zn、Mg、Mn等元素，形貌為灰色的塊狀；形變處理終時效后，θ′（CuAl2）相中的Fe含量降低，Cu含量增加（圖3中a1、b4比較）。同時，存在有η′（MgZn2）相，其中含有少量的Cu，形貌為灰色的不規則的塊、條狀，形變處理終時效后，其形貌扁平細小（圖3中a2、b3比較）。

3 實驗結果分析

高強鋁合金的基體沉淀相組織、晶界沉淀相組織、晶界無析出帶形狀與特性決定鋁合金的宏觀性能。鋁合金淬火處理后得到的是過飽和的α固溶體和很高的空位密度，時效處理時，隨時間變化將析出沉淀，發生過程是從 GP[Ⅰ]區→GP[Ⅱ]→過渡相→平衡相的相變過程，具有高相變組織的微觀特性[4]。相關的研究表明[5、6]，采用“淬火→形變處理→終時效”的形變熱處理，可提高Al-Cu、Al-Mg-Si系鋁合金的強度性能，但Al-Zn-Mg系鋁合金在形變時效后強度和硬度總體呈下降趨勢，并隨變形量的增大、時效溫度的提高，下降程度加劇；其主要原因是變形后位錯密度增加，使與基體無共格關系的η相形核率增加，強化相 GP 區和η′相減少，最終大量的粗大η相的弱化效果大于位錯強化作用，使合金弱化。也有資料表明，7075 鋁合金冷變形后時效強度降低，一般認為是由于位錯造成η′相不均勻形核所致[7]。

本實驗7075合金的合金主要化學成分Zn、Cu含量均較低，其Zn/Mg比值為2.31，較低的Zn/Mg比值有利于合金鑄造成型，降低合金鑄造時的裂紋傾向[8]；相對的不利因素是，采用常規T6熱處理時其合金的強度相對較低。實驗采取“淬火→預時效→形變處理→終時效”的形變熱處理，提高了7075鋁合金的強度性能。合金板材淬火后采用低溫、短時預時效處理，可以獲得以GP區為主的彌散分布的細小沉淀相，為終時效處理時穩定存在的GP區優先成核提供條件，消除了冷軋變形后時效因位錯造成η′相不均勻形核帶來的不利影響。預時效的加熱溫度較低（105℃），有利于合金淬火后彌散分布的細小沉淀相析出形成，預時效的保溫時間短（4h），同淬火后合金相比，合金的強度升高不大，有利于后續的冷軋變形。

合金預時效后經20%的冷軋變形后再時效，同預時效后的合金相比，合金晶粒變得更為扁平細小，有大量的位錯纏結和細小、彌散分布的析出相，細小沉淀相的密度明顯增加，見圖1（a）、圖2（b）。較大的冷軋變形率引入了大量的位錯，促進了終時效時GP區轉化為高密度均勻細小過渡強化相(主要是η′相)的析出。冷變形可加速終時效的析出過程，使終時效的時效峰值提前出現[9]。過高的終時效溫度，會導致強化相η′尺寸增大，可能伴隨有部分強化相η′向平衡相η的轉變；均勻析出的與合金基體共格的GP區和η′強化相，是7075合金保持較高強度的主要原因；但強化相η′相轉變為相對粗大的平衡相η，平衡相η和基體不共格，導致基體的晶格畸變減小，合金的強度下降，下降程度隨η相數量的增加和尺寸的粗大而加劇。因此，選擇較低的終時效溫度（110℃）和較長的保溫時間（24h），有利于細小、彌散分布的η′相析出，防止或減少平衡相η的大量形成，有利于合金的強化。同時，預時效后的形變處理，合金由于位錯與強化相η′的交互作用，因而提高了7075鋁合金強度，且使7075鋁合金保持了較好的塑性。

4 結 論

（1)淬火→預時效→形變處理→終時效的形變熱處理工藝,可顯著提高7075合金板材的強度,且使7075鋁合金保持了較好的塑性。

（2)7075合金形變熱處理后主要存在有θ′（CuAl2)相,其中含有部分雜質Fe和少量的Zn、Mg、Mn等元素,存在有η′（MgZn2)相,其中含有少量的Cu。

（3)變熱處理提高7075合金強度的原因是大量位錯與高密度析出的、均勻細小強化相η′的交互作用的結果。

[1]張世興，吳海宏，鄧鵬輝，等.熱處理制度對7075合金顯微組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2008，37（22）：56-58

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