淬火轉移時間與淬火后停放時間對7475 鋁合金性能和組織的影響

高寶亭

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

關鍵字：7475鋁合金；淬火轉移時間；淬火后停放時間；力學性能；顯微組織

0 前言

7475 鋁合金是一種典型的7×××系鋁合金，因其強度高并且斷裂韌度及抗應力腐蝕性能也非常優異，被廣泛應用于制造航空飛行器的機身蒙皮、壁板、翼梁等結構件[1-2]。由于其在輕量化、抗腐蝕性能以及抗損傷容限方面的獨特優勢，除軍用和民用航空鋁材市場外，近年來，在軌道交通領域也受到極大關注，市場潛力巨大。

由于7475 合金主要應用于航空器和地面交通工具的受力結構件[3]，因此對材料的性能和組織指標以及穩定性要求非常高，進而對工業化生產過程控制要求也非常嚴格。為保證供應制品質量的穩定性，客戶往往要求供應商須通過以NADCAP體系為代表的一系列資質認證。無論是從保證質量穩定性還是通過NADCAP體系認證角度考慮，每一項過程工藝參數都應有細致的規定，并且要求有理論研究作為支撐。目前，關于該合金的公開理論研究主要集中在熱加工、淬火制度和時效制度方面，沒有對淬火轉移時間與淬火后停放時間對性能和組織影響方面的研究。為幫助制造商和客戶更好地進行生產過程工藝控制和了解其對應的理論依據，本文對淬火轉移時間與淬火后停放時間對7475 鋁合金性能和組織的影響進行了研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用料

本次試驗選用規格為25 mm×100 mm 的7475鋁合金熱擠壓帶板，其化學成分滿足GB/T3190—2008要求，具體詳見表1。

表1 試驗用料的化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方法

為方便研究，該材料的淬火制度設定為（470±3）℃，保溫60 min；時效制度設定為（125±5）℃，保溫16 h。為研究淬火轉移時間對7475 鋁合金組織和性能的影響規律，將轉移時間分為5 s、15 s、30 s、60 s四組進行，相關試驗料均淬火后停留3 h；試驗裝備為爐溫均勻性滿足±3 ℃的工業爐，環境溫度為20～25℃，淬火水溫為30～40 ℃。以轉移時間60 s 為例，測得的實際最低料溫為452 ℃。為研究淬火后停放時間對7475鋁合金組織和性能的影響規律，選用轉移時間為15 s的試驗料，環境溫度為20～25 ℃；淬火后的去應力拉伸矯直率0.8%～1.2%，拉伸矯直完成時間為淬火后2 h 內，將停放時間選擇為3 h、6 h、48 h、168 h 四組進行研究。本文涉及的力學性能試驗和顯微組織試樣分別按照GB/T 16865《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及試驗方法》和GB/T 3246.1《變形鋁及鋁合金顯微組織檢測方法》的規定進行。

2 試驗結果與分析

2.1 對性能的影響

按照既定試驗方法，對相應的試驗料進行了力學性能檢測（每組檢測均有3 個平行試樣）。淬火轉移時間對力學性能的影響如表2所示，淬火后停放時間對力學性能的影響如表3 所示。從表2 中可以看出，淬火轉移時間從5 s 到30 s 的區間內，性能沒有任何變化，而轉移時間延長至60 s時，性能出現稍許下降。從表3中可以看出，停放時間對力學性能的影響甚微，幾乎在試驗誤差允許的范圍內波動。7475 合金這種性能變化可以給工程化生產帶來很大的便利條件。

表2 淬火轉移時間對7475鋁合金力學性能的影響

表3 停放時間對7475鋁合金力學性能的影響

2.2 對顯微組織的影響

為了分析這種力學性能微小變化的原因，將7475 鋁合金的淬火轉移時間的對比試驗試樣與停放時間的對比試驗試樣進行了光學金相組織分析。同時為與原始狀態對比，將熱擠壓狀態的試樣進行了金相組織分析。

從圖1熱擠壓狀態的金相組織可以看出，這是不完全再結晶的組織，基體上大量析出了Cr 相，隱現著一些亞晶結構。結合圖2 和圖3 分析可知，經過470 ℃/60 min 的淬火和125 ℃/16 h 的T6 狀態處理，無論是停放還是轉移不同時間的試樣，其金相組織的特征幾乎都是相同的，只能看到它們都是再結晶組織，其基體內析出了眾多Cr相[4]，無法分辨出它們有什么組織上的不同。因此間接說明了為什么它們性能方面的差異非常小，以至于不同淬火轉移時間和停放時間的試樣，其性能和組織上都沒有什么差異。

圖1 7475合金熱擠壓狀態光學顯微金相組織

圖2 不同轉移時間的光學顯微金相組織對比

圖3 不同停放時間的光學顯微金相組織對比

為進一步在更加細微的組織層面觀察組織的變換特征，對轉移時間為60 s 的試樣和停放時間為48 h 和168 h 的試樣進行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，其結果見圖4和圖5。

圖4 淬火后轉移時間60 s的SEM顯微組織

圖5 不同停放時間的SEM顯微組織

從SEM 組織照片可以看出，上述三種組織沒有明顯的差別，都有較密集的基體組織η＇相的析出、鏈鎖狀的晶界與較窄的無析出區。只是停放168 h 的試樣組織上，析出相稍微粗大些，但從析出相的尺寸上可判斷，它們仍然是η＇相[5]。依據常識，7×××系鋁合金的強度峰值所對應的顯微組織形貌特征是GP區+η＇[6-7]，而上述三種狀態的特征恰是這種析出相結構，這進一步說明了為什么它們的強度不降低的原因。

綜上所述可知，7475 鋁合金淬火后過飽和空位和過飽和溶質原子相結合而成的一種空位+溶質原子集團組織是相對穩定的，基本不受時間的影響，不隨時間的變化而發生長大或消失。這樣一種穩定的析出相的臨界核心只有在較高的溫度（例如人工時效溫度）下才能長大，而在較低的溫度下，它們能保持相當長的時間而不發生任何實質性的變化[7-8]。

3 分析與討論

本文關于轉移時間的研究是在一定的裝備和環境保障條件下進行的，目的在于從機理層面說明7475 鋁合金對淬火轉移時間不敏感，幫助生產和工藝技術管理者利用這種特性，適當放寬對具體的生產裝備和環境條件要求的限制，從而制定出既能符合生產現場實際條件又能保證產品質量穩定性的過程控制要求。需要特殊說明的是，在實際工業生產中不能忽略環境溫度以及裝備條件情況的影響而制定轉移時間控制要求。任何材料的工業化生產，均離不開生產裝備能力的保證。工業化生產中，用于固溶處理的淬火爐裝備一般都具備控制轉移時間的能力，只是不同設備或者隨著裝備條件的老化，其對應的控制能力出現不同程度的差異。裝備和環境條件不同，隨著轉移時間延長，造成材料淬火冷卻前的溫度降低程度不同，從而對最終組織性能會產生不同程度的影響，只是材料的特性不同，體現出的影響程度大小不同。如果實際材料淬火冷卻前的溫度過低，會致使材料的性能出現較大波動[4]。因此在研究制定具體的轉移時間控制要求過程中，一定要同時充分驗證和評估對應的裝備和環境條件對材料淬火冷卻前的溫度影響程度。

本文中關于淬火后停放時間的研究，是在基本工藝流程以及要求確定的條件下進行的，如淬火后的去應力矯直拉伸過程均有確定的控制要求。因此生產和工藝技術管理者在研究制定淬火后停放時間要求時，不能忽略期間的其他工藝流程對最終性能的影響。淬火后的去應力拉伸過程中，拉伸率的控制不同，勢必會對材料性能造成不同程度的影響[9]；淬火和拉伸的時間間隔，也會對拉伸去應力效果造成影響從而影響到最終性能[2]。因此在研究制定具體的淬火后停放時間過程中，一定要同時充分驗證和評估其他工藝流程對最終性能的影響。

4 結論

（1）7475 鋁合金的力學性能基本不隨淬火轉移時間（在60 s之內）的延長而降低。

（2）7475 鋁合金的力學性能基本不受淬火后停放時間的影響。

（3）7475 鋁合金對淬火轉移時間和停放時間不敏感的原因在于其淬火后形成的析出相的臨界核心相對穩定。