超高強鋁合金熱處理工藝探討

余成遠，石家平

（浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司，浙江 紹興 312500）

1 超高強鋁合金的發展

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金就是超高強鋁合金，又稱為7系鋁合金，其優點就是強度、硬度、耐用性、經濟性較好，又能夠耐腐蝕，被航天航空領域廣泛使用。超高強鋁合金的研究路程較為坎坷，從1923年開始，外國科學家就對鋁合金進行研究，通過加入各種元素來調整其硬度和強度等，雖然通過研究強度是加強了，但是其抗應力耐腐蝕性均無法達到實際應用的標準。國外的超高強鋁合金研究主要方向都是想著高強度、高韌性、耐腐蝕性方向發展，其合金化程度越來越高，雜質含量越來越低，純度越來越純，各種元素搭配使其達到最優模式。

國內的超高強鋁合金研究起步較晚，八十年代處開始研究高強高韌鋁合金材質用于航空領域，投入大量的人力物力，到2000年我國超高強鋁合金的發展程度已經達到了國外90年代中期的水平，在近十年中，我國更是致力于研究特高強度鋁合金，目前研究取得了非常大的進展，技術領先于國際水平，并且應用廣泛，能夠突破傳統金屬的制造范圍。

2 超高強鋁合金的機理和性能

（1）超高強鋁合金的機理。超高強鋁合金中Zn含量大于3%，Cu的含量大于Mg的含量，Mg含量大于1%。其中Cu是超高強鋁合金極其重要的元素，它能夠改善晶體結構，提高抗腐蝕性能[1]。研究發現，當Zn/Mg比例較小時，Cu含量越高就越脆，韌性越差，反之比值變大，韌性越好。所以超高強鋁合金的搭配比例是關鍵，除了這些元素外，還有微量元素的添加。在超高強鋁合金中，鐵和硅不僅是雜質，還能破壞鋁合金的性能，由于它們在高溫中很難溶解，熱加工的時候就容易變形，使得機體發生空隙，產生裂痕直接降低了合金的韌性[2]。

（2）超高強鋁合金的性能。合金的性能受到多方面的影響：①基體沉淀相。合金有較高的強度主要是由于合金的基體組織，在固溶處理后，基體組織隨著時間的變化發生變化，沉淀相質點分數越大，分布廣且均勻，則抗應力腐蝕性及韌性就強。②晶界沉淀相。晶界沉淀相對合金的影響主要是網狀分布的晶界沉淀相會破壞合金的性能，找出韌性不住，容易開裂的情況。③晶界無沉淀析出帶。晶界無沉淀析出帶與晶界沉淀相息息相關，很難分開?？s小晶界無沉淀析出帶對合金性能還是有利的。研究學者經歷了幾千萬次試驗，通過調整元素配比來達到做好的韌性。在研究過程中發現，處理元素外，其他影響因素主要就是晶體形狀和大小，材料組織狀態等。

3 鋁合金的熱處理工藝

超高強鋁合金主要是通過熱處理技術來合理選擇參數，使得合金擁有較好的綜合性能。其主要的工藝包括：

（1）均勻化。鋁合金均勻化處理就是提高錠坯的冶金質量及擠壓性能，我們都知道所有的合金在凝固的時候都會存在枝晶偏析，必須通過均勻化處理才能消除，通過均勻化處理減少內應力，提高熱塑性，并且均勻化處理能夠促進第二相溶解，提高合金的固溶度，從而提高強度。

（2）固溶。固溶，是指將合金加熱至第二相能全部或最大限度地溶入固溶體的溫度，保持一段時間后，以快于第二相自固溶體中析出的速度冷卻，獲得過飽和和固溶體的過程。在固溶過程中，過飽和程度會影響時效析出相的數量，同時過飽和的程度與合金成分有關，也與固溶程度有關，提高過飽和程度，能夠減少粗大晶體相產生，還能夠改善抗斷裂性能。

圖1 固溶480℃，24h金相圖

（3）熱變形處理。熱變形處理主要是人們為了讓鋁合金達到最佳功能的一種研究方式，其實質就是利用塑性變形和熱處理來改變合金的性質，提高其強度、韌性和抗腐蝕能力。

（4）單級時效。單級時效又稱為一級時效，時效完成后會析出細小的共格，形成連續鏈狀質點，這時鋁合金強度增加，但是對腐蝕性極其敏感，抗腐蝕性較差。單級時效的時間與電導率有曲線關系，并且電導率越高強度就越大。

（5）雙級時效。雙極時效就是要經過兩個時效，第一時效是低溫時效，形成大量GP區；第二時效是高溫時效，讓晶體形成均勻的盤狀相。經過雙時效處理，合金的強度下降但是抗腐蝕性增強。

（6）回歸再時效。回歸再時效又稱為RRA處理，包括三個階段：第一階段，在較低溫環境下進行峰值時效；第二階段，在較高溫中進行短時回歸；第三階段，在較低溫下進行再時效。前兩步與雙極時效類似，都是現處于較低溫狀態，后處于較高溫狀態，增加第三階段，主要是提高合金的強度，并且保持第二階段的合金抗腐蝕性能。

圖2 時效時間與電導率關系曲線

4 結語

從石器時代發展到目前的硅時代，新材料的變化就可以反應出人類歷史文明的變化。超高強鋁合金的研究經過漫長的歲月才得以突破腐蝕性差這個瓶頸，實現現在的高強度、高韌性、耐磨性和抗腐蝕性如此全面綜合的性能，并且開始推廣使用，這一步一步都是人類文明的進步印記。