本发明涉及一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺。属于铝合金热机械处理技术领域。
技术背景：
随着全球社会经济的发展，为了满足人类发展的需要，工业上对于所使用的材料的性能要求越来越高。铝合金作为一种具有高的比强度、高的比刚度、良好的塑韧性、好的加工性能的金属材料，被广泛的运用于航空航天、汽车等领域。
我国的铝合金产量巨大，但存在着诸多质量问题。目前我国在工业上，越来越要求铝合金材料具有良好的综合性能，但由于国内技术的缺失，许多应用于航空航天领域的铝合金材料还依赖于进口。因此提升铝合金的性能成为了人们关注的热点。
常见的提高铝合金性能的方法有：调控合金元素、粉末冶金、喷射成形、回归再时效、热机械处理等。近年来为了提高铝合金的综合性能,还出现了一些比较新的方法，如：等通道转角挤压(ECAP,equal channel angular pressing)、高压扭转(HPT,high pressure torsion)、累积轧制(ARB,accumulative roll bonding)等，这些方法在细化合金组织上有显著效果由此提高合金的综合性能。但相比较而言，热机械处理有着更高的生产率、更易操作、更低的成本、适用于连续生产等优点，因此利用热机械处理的方法来提高铝合金的综合性能具有更大的实际意义。
传统工艺中，铝合金的热机械处理工艺流程通常是：固溶淬火—时效—形变—固溶淬火—再时效。通过上述工艺的处理，可以有效改善铝合金的强度，但很难实现铝合金的强度与塑韧性的兼顾，特别是在获得良好的抗腐蚀性能方面较为薄弱；传统热机械处理再时效后其析出相在晶界往往为连续分布，为溶质原子的扩散提供了通道，加快了腐蚀过程，导致铝合金在使用过程中由于外环境的作用而受到腐蚀，使铝合金性能下降甚至发生腐蚀断裂而失效。另外，传统的热机械处理工艺流程往往较长且复杂，工艺成本高。
因此，对现有铝合金热机械处理工艺进行优化，以提高铝合金的综合进行性能，在兼顾铝合金强度的基础上有效改善塑性，提高铝合金抗腐蚀性能，成为本领域亟需解决的技术难题。
技术实现要素：
：
本发明目的在于克服现有技术之不足提供一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，本发明的工艺方法可以有效提高铝锌镁铝合金的综合性能，特别是耐腐蚀性能，且工艺流程短、操作方便。
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，是将铝锌镁合金试样加热至固溶温度保 温后，随炉冷却或出炉空冷至轧制温度进行热轧，热轧后水淬，随后进行深冷变形处理，深冷变形后进行双级人工时效处理。
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，包括下述步骤：
第一步：固溶热轧连续处理
将铝锌镁合金试样在热轧温度以上固溶保温后，随炉冷却或出炉空冷至热轧温度进行热轧变形处理，热轧变形后水淬，控制终轧温度≥420℃；
第二步：深冷变形处理
将第一步所得的铝锌镁合金试样进行深冷变形处理；深冷变形处理温度低于-120℃，深冷变形量≥40％；
第三步：时效处理
将经过深冷变形处理后的试样进行时效处理；
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，第一步中，固溶保温温度为470℃-490℃，固溶保温时间30min-3h；固溶保温后随炉冷却或出炉空冷至热轧开轧温度；热轧开轧温度为430℃-460℃，终轧温度为420℃-450℃；热轧变形量为20％-80％；
优选的固溶保温温度为475℃-485℃，固溶保温时间1h-1.5h；
优选的开轧温度为450℃-460℃，终轧温度为440℃-450℃，热轧变形量为45％-65％；
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，第二步中，深冷变形处理温度为-190℃至-120℃，深冷保温时间≤15min；深冷变形的变形量为40％到80％；
优选的深冷变形处理温度为-160℃至-170℃，深冷保温时间10min-15min；深冷变形量为55％-70％；
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，第三步中，双级级人工时效处理工艺参数为：一级时效处理温度为100℃-130℃，时效时间为1h-6h；二级时效温度为：140-180℃，时效时间为6h-24h；
优选的一级时效处理温度为110℃-120℃，时效时间为2h-4h；二级时效温度为：150-170℃，时效时间为14h-22h；
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，所述铝锌镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：
Zn:3％-10％
Mg:1％-3.5％
余量为Al。
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，所述铝锌镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：
Zn:4％-8％
Mg:1.5％-3％
余量为Al。
本发明一种显著提高铝锌镁合金综合性能的热机械处理工艺，所述铝锌镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：Al-6.2Zn-2.35Mg。
在本发明中，所述固溶热轧连续处理是指在固溶温度保温后，再冷却至所需温度进行热轧变形处理，然后立即进行水淬；使试样在进行热轧之后其状态为过饱和态，同时后续时效处理之前可不再进行固溶。在此过程中的固溶保温温度为470℃到490℃，固溶保温时间为30min到3h，热轧变形处理时的开轧温度为430℃到460℃，终轧温度为420℃到450℃，热轧变形处理的变形量为20％到80％。在固溶热轧连续处理之后的深冷变形是指，将铝合金试样用液氮冷却，使试样温度降低到-190℃到-120℃，然后再进行轧制变形，深冷变形的变形量为40％到80％。经过深冷变形后的试样再进行时效处理，所述时效处理为双级时效，温度分别为100℃到130℃、140℃到180℃，时效时间分别为1h到6h、6h到24h。
传统工艺中的固溶、热轧处理为独立的两个过程，在其过程中会经历固溶之后淬火，然后再升温至热轧温度进行热轧，易导致溶质原子的析出，在进一步时效处理前便不得不再次进行固溶。
此外，传统的热机械处理工艺为了改善铝合金性能采取的工艺流程往往较长且复杂，并且很难实现铝合金的强度与塑性的兼顾。传统热机械处理工艺在获得良好的抗腐蚀性能方面较为薄弱。这是因为传统热机械处理使用一般的时效工艺，其析出相在晶界往往为连续分布，为溶质原子的扩散提供了通道，加快了腐蚀过程，导致铝合金在使用过程中由于外环境的作用而受到腐蚀，使铝合金性能下降甚至发生腐蚀断裂而失效。
相较于传统工艺，本发明的优点是：
1、本发明将传统工艺中的固溶、热轧处理两个独立的过程有机结合，采用了固溶热轧连续处理，先使试样在固溶温度下保温，使其充分固溶达到过饱和态，然后随炉冷却或出炉空冷至热轧温度进行热轧，之后立刻淬火。其中本发明中热轧温度420℃到460℃高于铝锌镁铝合金常用的热轧温度(380℃到420℃)，这样使铝合金试样在经过热轧处理后依然保持过饱和状态，抑制了溶质原子的析出，避免了二次固溶处理使工艺更加连续、流程得到简化，也使得在经过热轧之后的铝合金试样的状态为过饱和态，抑制溶质原子析出，为后续的深冷及时效强化处理准备了良好的基体组织，不需要再次进行固溶就可进行时效强化处理。
2、本发明不进行二次固溶处理，只在固溶热轧连续处理中的变形时会进行动态再结晶和动态回复，相较于传统热机械处理进行二次固溶处理时会发生再结晶，本发明的最终产品再结晶体积分数较低。 铝合金一般通过亚晶合并的方式进行再结晶形核，由于合并之后形成的较大亚晶的晶界上吸收了更多位错，从而逐渐转化为大角度晶界，因此铝锌镁合金在经传统热机械处理的二次固溶后的再结晶晶粒通常大角度晶界比例较高。由于再结晶晶粒大角度晶界比例较高，在时效过程中，大角度晶界为时效优先析出位置，通常在该位置形成连续且粗大的时效析出相，引起PFZ宽化，从而导致抗腐蚀性能下降。本发明技术得到的铝锌镁合金，由于再结晶晶粒比例较低，因此其大角度晶界比例较传统热机械处理所得到的铝锌镁合金低，由此降低了时效过程中在大角度晶界上析出连续粗大时效析出相的可能性，避免了抗腐蚀性能的下降，因此本发明的最终产品相较于经传统热机械处理工艺处理的铝锌镁合金，抗腐蚀性能更为优异。
3、本发明通过将固溶、热轧两种工艺的结合，一方面，保留了热轧时产生的变形织构，有效强化铝合金；另一方面，保留了热轧时产生的位错，可以保留较大位错密度，并在后续时效处理中形成位错亚结构，位错亚结构在铝合金受外力作用时，使位错运动受到阻碍，显著提升铝锌镁合金的强韧化性能；避免了传统工艺在进行二次固溶处理时，使变形织构回复转变为再结晶织构，位错在固溶过程中发生完全回复而消失，导致铝锌镁合金基体中的强化织构及位错亚结构数量减少，使铝锌镁合金强度塑性难以实现良好匹配的缺陷。
4、本发明通过将固溶、热轧两种工艺的结合，有助于在动态再结晶时，使晶粒细化，同时通过后续深冷变形引入大量位错等缺陷来促进时效时纳米级沉淀相的析出，使多种强化机制同时作用，改变了以往热机械处理单一强化机制作用，以更好地改善铝合金综合性能，使塑性和强度同时得到改善。本发明处理的铝锌镁合金的屈服强度达到564Mpa以上，抗拉强度达到634Mpa以上，延伸率达到10.6％以上，应力腐蚀敏感因子(ISSRT)低于0.07；与传统的T6处理相比，在保持良好的延伸率的情况下，屈服强度提高23％；抗拉强度提高7％；应力腐蚀敏感因子降低70％；
5、本发明采用双级时效，使铝合金试样晶界析出相由连续分布转变为粗大析出相且断续分布，由此抑制了溶质原子在连续晶界析出相的快速扩散，阻断了晶界的快速腐蚀扩展通道，有效提高铝合金抗腐蚀性能。
附图说明
附图1为本发明工艺流程图。
图中：
TS-------------固溶保温温度；
TC-------------热轧变形处理温度；
Ta1------------一级时效温度；
Ta2------------二级时效温度。
具体实施方式：
下面结合实施例和传统工艺对比例对本发明作进一步说明。
实施例1：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先，将试样放入温度为470℃的空气炉中保温2h；然后将试样从空气炉中拿出并在空气中冷却到435℃的开轧温度进行热轧变形处理，终轧温度为420℃，变形量为30％；热轧之后立刻进行水淬；经过水淬的试样再进行深冷变形处理，试样在液氮中浸泡15min使其温度降至-185℃时进行轧制，变形量为80％；经过深冷变形处理之后再进行双级时效，先在温度为100℃的空气炉中保温5h，再将试样随炉升温到160℃保温12h。本实施例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
实施例2：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h；然后将试样从空气炉中拿出并在空气中冷却到445℃的开轧温度进行热轧变形处理，终轧温度为430℃，变形量为50％；热轧之后立刻进行水淬；经过水淬的试样再进行深冷变形处理，试样在液氮中浸泡5min使其温度降至-120℃时进行轧制，变形量为60％；经过深冷变形处理之后再进行双级时效，先在温度为115℃的空气炉中保温3h，再将试样随炉升温到140℃保温20h。本实施例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
实施例3：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先，将试样放入温度为485℃的空气炉中保温1h；然后将试样从空气炉中拿出并在空气中冷却到455℃的开轧温度进行热轧变形处理，终轧温度为445℃，变形量为70％；热轧之后立刻进行水淬；经过水淬的试样再进行深冷变形处理，试样在液氮中浸泡10min使其温度降至-155℃时进行轧制，变形量为40％；经过深冷变形处理之后再进行双级时效，先在温度为125℃的空气炉中保温2h，再将试样随炉升温到175℃保温7h。本实施例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
对比例1：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先进行固溶处理，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h，然后进行淬火；之后在温度为420℃的空气炉中保温20min，然后进行热轧变形，变形量为50％，变形完成之后立刻淬火；接着进行室温轧制，变形量为60％；最后进行人工时效，时效温度为120℃，时间为24h。本对比例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
对比例2：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先进行固溶处理，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h，然后进行淬火；之后在温度为420℃的空气炉中保温20min，然后进行热轧变形，变形量为50％，变形完成之后立刻淬火；接着进行室温轧制，变形量为60％；进行室温轧制之后再次进行固溶处理，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h，然后进行淬火；最后进行T6峰时效，时效温度为120℃，时间为24h。本对比例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
对比例3：
采用的试样为厚12mm的铝锌镁合金冷轧板，合金成分为Al-6.2Zu-2.35Mg(质量分数％)。首先进行固溶处理，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h，然后进行淬火；之后在温度为420℃的空气炉中保温20min，然后进行热轧变形，变形量为50％，变形完成之后立刻淬火；接着进行室温轧制，变形量为60％；进行室温轧制之后再次进行固溶处理，将试样放入温度为475℃的空气炉中保温1h，然后进行淬火；最后进行回归再时效处理(RRA)，先将试样放入温度为200℃的空气炉中保温5min，再将其放入温度为120℃的空气炉中保温24h。本对比例处理后的铝锌镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感因子(ISSRT)参数见表1。
上述实施例、对比例中所提到应力腐蚀敏感因子(ISSRT)的定义如下：
ISSRT＝1－[σfw×(1+δfw)]/[σfA×(1+δFa)]
其中：
σfw——在环境介质中的断裂强度(MPa)；
σfA——在惰性介质中的断裂强度(MPa)；
δfw——在环境介质中的断裂伸长率(％)；
δfA——在惰性介质中的断裂伸长率(％)；
ISSRT从0→1,表示应力腐蚀断裂敏感性渐增。
表1：
通过以上实施例与对比例性能的比较可知：经本发明工艺处理得到的铝锌镁合金，其抗拉强度与屈服强度较传统热机械处理工艺均有显著提升，其中屈服强度提升幅度达到20％以上，且保持了较好的延伸率，此外应力腐蚀敏感因子也有了明显的下降，实现了铝合金塑韧性和强度的兼顾，且流程工艺比以往更为精简有效，更便于提高铝合金综合性能。