7050 鋁合金的熱處理工藝

李召華

（空軍工程大學航空機務士官學校，河南 信陽464000）

7050 鋁合金是機械制造中常用的超硬鋁合金，具有強度高、韌性好、抗疲勞性好、耐腐蝕性好等優越的綜合性能，可用于制作厚板、型材、鍛件、絲材等。因其具有優越性能，在航空上應用也很廣泛，可用于制作對強度、韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性要求高的承力構件，如隔框、翼肋、粱、壁板、鉚釘等零件。這種鋁合金之所以具有優越性能，一方面是由其內部成分決定，另一方面則需要通過熱處理來實現。

1 材料簡介

7050 屬于AI-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，主要合金元素是鋅,也添加少量的鎂、銅、鉻等元素。鋅、鎂兩種元素具有重要作用，能夠在合金中生成強化相，鋅、鎂含量越多，鋁合金的強度越高。具體化學成分如表1 所示：

表1

2 試驗過程

2.1 試驗材料及設備

φ10×20mm 的7050 鋁合金試樣若干，空氣爐，硬度計，萬能試驗機。

2.2 試驗方案

7050 鋁合金屬于可熱處理強化鋁合金，通過固溶處理和時效強化提高其性能。固溶處理是將鋁合金加熱保溫水冷，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。過飽和程度越高，強化效果越好。固溶處理的工藝有很多種，比如單級固溶、雙級固溶、逐級固溶等。其中單級固溶具有工藝簡單、成本低、生產周期短的特點，本試驗主要基于單級固溶開展。在固溶處理中，加熱溫度和保溫時間這兩個工藝參數起到了至關重要的作用，對最終性能影響很大。

2.2.1 固溶處理加熱溫度的影響

準備6 個鋁合金試樣進行試驗，試驗方案如下：設置固溶處 理 加 熱 溫 度 分 別 為465℃、470℃、475℃、480℃、485℃、490℃，保溫45min，水淬,再人工時效。

2.2.2 固溶處理保溫時間的影響

選擇固溶處理加熱溫度分別為485℃，保溫時間分別為25、35、45、55min，水淬，再人工時效。

2.2.3 固溶處理冷卻介質的影響

準備3 個鋁合金試樣，試驗方案為：設置固溶處理加熱溫度為475℃，保溫1h，1 個鋁件用常溫水冷卻，1 個鋁件用55℃熱水冷卻，1 個鋁件用66℃冷卻，再進行人工時效。

時效是把固溶處理之后的鋁合金加熱保溫，然后空冷，使過飽和固溶體分解，獲得穩定組織的熱處理工藝。時效強化有兩種方式，自然時效和人工時效，對于7050 鋁合金來說，常采用人工時效的方式。時效強化的工藝有很多種，如單級時效、雙級時效、分級時效等。

時效過程中因為析出第二相而強化，強化效果和第二相的類型、數量、尺寸、形態、穩定性等因素有關。時效的方式、工藝、溫度、時間都會對其產生影響，導致最終性能的差異。

2.2.4 人工時效加熱溫度的影響

準備4 個鋁合金試樣，試驗方案為：固溶溫度475℃，保溫1h，水淬，分別100℃、120℃、130℃、140℃時效，保溫24h，空冷。

2.2.5 人工時效保溫時間的影響

準備5 個鋁合金試樣，試驗方案為：固溶溫度475℃，保溫1h，水淬，120℃時效6h、12h、24h、48h、72h，空冷。

3 試驗結果及分析

3.1 固溶處理加熱溫度的影響

固溶處理加熱溫度對性能的影響見表2。從表中數據可以看出，隨著加熱溫度的升高，抗拉強度、屈服強度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，然后強度下降，延伸率升高。這是因為隨著溫度的升高，合金中殘余的粗大第二相不斷的固溶，形成過飽和固溶體。當加熱溫度達到475℃時，粗大第二相減少量最多，過飽和程度最大，強度也最高。隨著溫度的進一步增加，晶粒會變得粗大甚至是出現過燒現象，強度反而會下降。由表中數據亦能看出，溫度雖然相差不大，但性能相差很大，因此，固溶處理時，需嚴格控制溫度，避免出現加熱溫度過低過高導致的強度過低或者過燒現象。

表2 固溶處理加熱溫度對性能的影響

3.2 固溶處理保溫時間的影響

固溶處理保溫時間的影響見表3。從表中數據可以看出，隨著保溫時間的延長，抗拉強度和屈服強度也隨著升高，塑性降低，到達峰值后，強度下降，塑性提高。這是因為保溫時間過短，粗大第二相固溶的數量較少，過飽和度低，強度低，保溫時間長，粗大第二相固溶的數量多，強度高，保溫時間過長，會重新析出粗大的產物，強度下降。

表3 固溶處理保溫時間的影響

3.3 固溶處理冷卻介質的影響

固溶處理冷卻介質的影響見表4。當采用常溫水冷卻時，冷卻速度過快，產生的內應力大，容易出現裂紋或產生變形，1 號試樣表面產生肉眼可見的明顯裂紋；采用55℃熱水冷卻時，無裂紋，形成過飽和固溶體，隨著冷卻介質溫度升高，第二相溶解不充分，強度略有下降。

表4 固溶處理冷卻介質的影響

3.4 人工時效溫度的影響

表5 人工時效溫度的影響

人工時效溫度的影響見表5。硬度在120℃時達到峰值，之后隨著時效溫度的升高，強度開始逐漸降低。這是因為120℃時，時效強化達到了最佳效果，延伸率則與強度的變化趨勢相反。時效溫度太低，原子活動能力低，擴散慢，影響了溶質原子富集區的形成，強度低。時效溫度太高，原子擴散快，會使過飽和固溶體的析出相長大。

3.5 人工時效時間的影響

表6 人工時效時間的影響

人工時效時間太短，溶質原子富集區形成的數量少，強度較低，隨著時效時間的增加，溶質原子富集區的數量增加，強度達到最大，出現強度峰值，之后，隨著時效時間的進一步增加，析出相尺寸增大，強度下降，延伸率升高。

4 結論

通過對試驗結果的分析，可以得到這樣的結論：

4.1 隨著固溶處理加熱溫度的逐漸升高，7050 鋁合金的抗拉強度、屈服強度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，在475℃固溶時出現強度峰值，之后強度下降，延伸率升高。

4.2 固溶加熱溫度不變的情況下，隨著保溫時間延長，7050鋁合金的抗拉強度和屈服強度逐漸升高，然后達到峰值，保溫時間繼續延長，強度開始逐漸降低。

4.3 固溶處理加熱溫度和保溫時間不變，采用不同方式冷卻，冷卻速度過快，7050 鋁合金容易出現裂紋，冷卻速度過慢，則強度較低。

4.4 隨著人工時效溫度的逐漸升高，7050 鋁合金的抗拉強度先逐漸升高，延伸率則逐漸降低，在120℃時效時出現強度峰值，之后強度下降，延伸率升高。

4.5 時效加熱溫度不變的情況下，隨著保溫時間延長，7050鋁合金的抗拉強度和屈服強度逐漸升高，然后達到峰值，保溫時間繼續延長，強度開始逐漸降低。

由此可見，固溶處理和時效的參數對7050 鋁合金性能的改變起到了至關重要的作用。如何利用好這些工藝參數，進一步改進和優化熱處理工藝，提高7050 鋁合金的綜合性能，是我們需要繼續深入研究的問題。