CN109628861B - 一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金技术领域，特别涉及一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法。本发明以7系列铝合金热轧板为处理对象，依次采用固溶处理、预时效处理、回归加热处理、再时效处理；得到产品。当铝合金7050板材应用本发明所设计工艺时，所得产品的抗拉强度为565～590MPa，屈服强度为520～560MPa，延伸率为20～23.5％。本发明可实现合金在强度和延伸率同时提高。此外，本发明使用连续升温加热的方式，在回归热处理阶段可以节省大量的时间，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，特别涉及一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法。
背景技术
7050铝合金属于高强耐蚀铝合金，具有强的抗压、抗冲击能力以及较好的耐蚀腐蚀性能，主要用于航天航空、工业、夹具、机械设备、模具加工等领域。7050合金成分含锌(Zn)5.7～6.7、铜(Cu)2.0～2.6、镁(Mg)1.9～2.6、以及少量的锆、硅等元素，其主要强化相为MgZn2(亚稳态的η'相，平衡态的η相)。因此，该合金的力学性能受热处理影响很大，是一种典型的时效强化铝合金。国外的研究主要是通过调节不同的热处理工艺参数和方法，使7050合金中的强化相发生转变，从而改善微观组织达到提高强度和耐蚀性能的目的。然而，国内涉及7050合金研究发展历程相对较晚，除了一些特殊用途，成形和热处理工艺方面报道并不多。
对于7系铝合金，常用的时效手段有单级时效、双级时效、非等温时效和回归再时效等。
单级时效即峰值时效(T6)，设计原则是在低于GP区溶解的温度下进行长时间保温，让合金中溶质原子得到充分析出。其组织特征是：晶粒内分布有大量的GP区和细小弥散的半共格η'相，晶界上的析出相为较粗大的η相，呈连续链状分布。峰值时效态合金强度达到峰值，但晶界上的析出相分布呈连续链状，抗腐蚀性能较差，延伸率低，在很大程度上限制了它的应用。
双级时效过程分两个阶段进行：第一阶段时效温度一般低于GP区溶解温度，目的主要是形核，使基体上析出大量的GP区，为下阶段做好组织准备；第二阶段时效温度较高，在第一阶段形成的GP区，如果达到临界尺寸，就可以作为第二阶段析出相的核心继续析出长大，即进入稳定化阶段，随着时效时间的延长，晶粒内逐渐析出η'相和η相。与峰值时效态的组织相比，双极时效后析出相尺寸增大，分布更均匀。此外晶界上的溶质原子能量相对较高，容易从固溶体中析出，使得晶界上较晶粒内析出更粗大的η相，且从连续链状变为独立的质点，晶界无沉淀析出带变宽。具有这种组织特征的合金强度比峰值时效态(T6)下降10～15％，但抗腐蚀性能可显著提高。
非等温时效工艺特点是在连续变化的温度场中对合金进行时效处理。主要表现为：在非等温过程中，合金析出相的热力学参数均随温度发生变化，析出相在某一时段能稳定存在，而在下一时段可能会溶解。此外，时效强化过程中，析出相都需要经过一定的析出序列最终形成稳定相。在析出过程中，一系列亚稳相之间的相互转变，不同尺寸的亚稳相之间又存在复杂的竞争关系，从而使合金的析出行为更加复杂多变。2007年，Jmaes等人将非等温时效概念引入到7系铝合金的时效过程中，即通过连续升温或降温的方式对合金进行时效处理，研究了合金的力学性能和电导率，最终获得了优异的力学性能。近年来，国内有学者对7系铝合金的非等温时效行为及其对力学性能的影响进行了研究，认为连续升温或降温的终止温度对合金组织及性能有较大影响。随温度升高，7系铝合金的亚稳相转变顺序是GP→η'→η。
回归再时效RRA(retrogression and re-aging)又可定义为是一种三级时效，是以色列飞机公司于1974年提出的，目的在于不降低7系铝合金强度的前提下改善其耐腐蚀性能。核心技术是将时效过程分三个阶段进行，即预时效阶段、回归阶段和再时效阶段，其中的关键是回归处理。回归温度较预时效温度和再时效温度高，在回归阶段有一个升温和降温的过程，即回归加热和冷却阶段。在回归阶段，回归之初小于临界尺寸的GP区回溶，大于临界尺寸的GP区转变为η'相，原有的η'相逐渐长大；随回归时间延长，新的η'相析出，原来的η'相逐渐长大，并部分转变为η相，使η'相和η相的体积分数增加；继续延长回归时间，析出相粒子逐渐粗化。在再时效阶段，未回溶的GP区作为新η'相的核心，促使η'相不断析出；回归温度冷却下来形成的过饱和固溶体仍然按照沉淀顺序析出，使得GP区和η'相的体积分数较回归态大量增加，基本达到峰值时效态水平。2004年，Oliveira A.F.等人研究了7050合金的回归和再时效处理，发现合金经200℃回归40分钟，再时效后7050合金的强度可达到T6态的强度。回归再时效处理的最大特点就是在提高合金抗应力腐蚀性能的同时不降低合金的强度。从回归温度来讲，可以在不同的温度下实现，回归时间从几分钟到数小时不等。目前，国内外对RRA处理的研究主要集中在回归温度和回归时间对回归再时效效果的影响方面。有关回归加热速率和冷却方式对回归再时效态组织及性能的影响研究报道很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法。
本发明首次尝试了以7系列铝合金热轧板为处理对象，依次采用固溶处理、预时效处理、回归加热处理、再时效处理；得到性能优越的产品。
本发明提供一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，以7系列铝合金热轧板为处理对象，依次采用固溶处理、预时效处理、回归加热处理、再时效处理；得到产品；
所述固溶处理为：在460～480℃条件保温时间1-3小时，然后在5s内转移到冷却介质中，进行淬火；淬火过程中冷却介质的温度为22～26℃；
所述预时效处理为：将固溶处理后的板材升温至115～130℃保温20～30小时后，转移到冷却介质中，进行淬火；淬火过程中冷却介质的温度为22～26℃；
所述回归加热处理为：将预时效处理后的板材以3-6℃/min的速度加热到设定温度后，在10s内转移到冷却介质中，冷却；所述设定温度为160℃～260℃；
所述再时效处理为：将回归加热处理后的板材加热至115～130℃，保温再时效处理20～30小时，冷却。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述7系列铝合金热轧板包括7050铝合金热轧板。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述7050铝合金热轧板的厚度为1～3mm。本发明通过严格控制各工艺参数的范围，在各条件参数的协同作用下，实现了7050铝合金薄板材强度和延伸率的大幅度提升。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述7系列铝合金热轧板的制备工艺为：以7系列铝合金为原料，将原料加热后，进行热轧，热轧的变形量大于等于95％；热轧时控制温度为450～480℃。在工艺上应用时，热轧后空冷至室温。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述冷却介质包括水。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述回归加热处理为：将预时效处理后的板材以5℃/min的速度加热到设定温度后，在5s内转移到冷却介质中，冷却。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述设定温度为180-195℃。
作为进一步的优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，所述设定温度为188-192℃；达到设定温度后，在5s内转移至水中冷却。在本发明中，回归加热处理时，尤其是温度大于等于160℃后，在该温度区间的时间要控制得到，优选为5-8min；当时间过长后，尤其是时间大于35min后，最终产品的延伸率会出现衰减。
作为优选方案，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，当铝合金板材为7050合金板材时，所得产品的抗拉强度为565～590MPa，屈服强度520～560MPa，延伸率为20～23.5％。
经优化后，本发明一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，当铝合金板材为7050合金板材时，所得产品的抗拉强度为575～590MPa，屈服强度540～560MPa，延伸率为20.5～23.5％。
本发明的技术效果是：经过460～480℃温度条件下的热轧能很好地减少加工硬化，使变形后的合金板材厚度均匀，不发生开裂，保证合金板在轧制过程顺利进行。同时，在热轧过程中使合金得到了较好的回复和再结晶效果，保证合金的延展性。固溶处理和水淬以后，使合金中的本身存在的微量析出相尽可能回溶到铝基体中，合金中元素分布更加均匀，为后期时效处理过程中相的均匀析出提供保障；固溶处理后的预时效处理，能使合金中产生大量的GP区和少量的η'相，通过水冷后可防止η'相的回溶。在回归加热阶段，随回归温度升高、加热时间延长，大于临界尺寸的GP区转变为η'相，原有的η'相逐渐长大，并部分转变为η相，使η'相和η相的体积分数增加。此外，在回归加热阶段由于温度相对预时效升高，可以很好地释放一部分形变储能，消除部分有害织构，进一步改善合金的延展性。在再时效阶段20～30小时里，一方面能够保证未回溶的GP区作为新η'相的核心，使η'相不断析出，另一方面还可使回归条件下形成的过饱和固溶体按照过饱和固溶体→富空位团→GP区→η'相→η相沉淀顺序析出，使得η'相和η相的体积分数较回归态的大量增加，形成有序的排列。通过以上加工和热处理后，合金的强度和延伸率可得到同时提高。
附图说明
图1为7050合金经过本发明回归加热后晶内沉淀相及GP区的特征图；
图2为7050合金经过本发明再时效后的晶内沉淀相特征图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明，使相关领域技术人员得到更好地理解，将通过以一下实施实例进行描述，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实例，不应对本发明的保护范围有任何的限制。
实施例1
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％，将合金在470℃加热，并保温2小时进行固溶处理，随后用室温条件下24℃的水中进行淬火，要求试样转移时间小于5秒；将淬火后的合金立即在115℃条件下保温25小时，进行预时效处理，在室温24℃的水中进行冷却要求试样转移时间小于5秒。以5℃每分钟的升温速率将预时效的合金加热到160℃，进行回归加热，在室温24℃的水中进行冷却，要求试样转移时间小于5秒；将回归后的合金在115℃条件下保温20小时，进行再时效处理，最后进行空冷。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为577MPa，屈服强度530MPa，延伸率为20％。
实施例2
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％；将合金在475℃加热，并保温1小时进行固溶处理，随后用室温条件下25℃的水中进行淬火，要求试样转移时间小于5秒；将淬火后的合金立即在120℃条件下保温24小时，进行预时效处理，在室温25℃的水中进行冷却要求试样转移时间小于5秒。以5℃每分钟的升温速率将预时效的合金加热到190℃，进行回归加热，在室温25℃的水中进行冷却，要求试样转移时间小于5秒；将回归后的合金在120℃条件下保温28小时，进行再时效处理，最后进行空冷。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为588MPa，屈服强度558MPa，延伸率为23％。
实施例3
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％；将合金在480℃加热，并保温1.5小时进行固溶处理，随后用室温条件下26℃的水中进行淬火，要求试样转移时间小于5秒；将淬火后的合金立即在120℃条件下保温28小时，进行预时效处理，在室温25℃的水中进行冷却要求试样转移时间小于5秒。以5℃每分钟的升温速率将预时效的合金加热到220℃，进行回归加热，在室温26℃的水中进行冷却，要求试样转移时间小于5秒；将回归后的合金在120℃条件下保温24小时，进行再时效处理，最后进行空冷。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为578MPa，屈服强度540MPa，延伸率为20.6％。
实施例4
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％；将合金在465℃加热，并保温3小时进行固溶处理，随后用室温条件下23℃的水中进行淬火，要求试样转移时间小于5秒；将淬火后的合金立即在120℃条件下保温26小时，进行预时效处理，在室温23℃的水中进行冷却要求试样转移时间小于5秒。以5℃每分钟的升温速率将预时效的合金加热到260℃，进行回归加热，在室温26℃的水中进行冷却，要求试样转移时间小于5秒；将回归后的合金在125℃条件下保温26小时，进行再时效处理，最后进行空冷。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为569Mpa，屈服强度522Mpa，延伸率为20％。
对比例1
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％；将合金在475℃加热，并保温1小时进行固溶处理，随后用室温条件下25℃的水中进行淬火，试样转移时间小于5秒；将淬火后的合金立即在120℃条件下保温24小时，进行预时效处理，在室温25℃的水中进行冷却要求试样转移时间小于5秒。以5℃每分钟的升温速率将预时效的合金加热到300℃，进行回归加热，在室温25℃的水中进行冷却，要求试样转移时间小于5秒；将回归后的合金在120℃条件下保温24小时，进行再时效处理，最后进行空冷。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为507MPa，屈服强度436MPa，延伸率为20.2％。
对比例2
将合金460～480℃条件下热轧变形，压下量为95％。该工艺条件下，7050合金的抗拉强度为327MPa，屈服强度299MPa，延伸率为9.6％。
对比例3
商业用7050板材在T73651条件下的抗拉强度为510MPa，屈服强度455MPa，延伸率为11％。
表1 7050合金不同工艺条件下的力学性能对比
Claims (7)
1.一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于：
以7050铝合金热轧板为处理对象，依次采用固溶处理、预时效处理、回归加热处理、再时效处理；得到产品；
所述固溶处理为：在460～480℃条件保温时间1-3小时，然后在5s内转移到冷却介质中，进行淬火；淬火过程中冷却介质的温度为22～26℃；
所述预时效处理为：将固溶处理后的板材升温至115～130℃保温20～30小时后，转移到冷却介质中，进行淬火；淬火过程中冷却介质的温度为22～26℃；
所述回归加热处理为：将预时效处理后的板材以5℃/min的速度加热到设定温度后，在5s内转移到冷却介质中，冷却；所述设定温度为160℃～260℃；
所述再时效处理为：将回归加热处理后的板材加热至115～130℃，保温再时效处理20～30小时，冷却；
所述7050铝合金热轧板的制备工艺为：以7050铝合金为原料，将原料加热后，进行热轧，热轧的变形量大于等于95％；热轧时控制温度为450～480℃。
2.根据权利要求1所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于：所述7050铝合金热轧板的厚度为1～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于：所述冷却介质包括水。
4.根据权利要求1所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于；所述设定温度为180-195℃。
5.根据权利要求4所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于；所述设定温度为188-192℃；达到设定温度后，在5s内转移至水中冷却。
6.根据权利要求1所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于；当铝合金板材为7050铝合金板材时，所得产品的抗拉强度为565～590MPa，屈服强度520～560MPa，延伸率为20～23.5％。
7.根据权利要求6所述的一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法，其特征在于；当铝合金板材为7050铝合金板材时，所得产品的抗拉强度为575～590MPa，屈服强度540～560MPa，延伸率为20.5～23.5％。
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