专利名称：一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的高压均匀化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的均匀化热处理方法，即对铸锭施加高等静压力的同时进行均匀化处理。
背景技术：
7000系铝合金属于能获得最高时效强化效果的一类变形铝合金，具有密度低、强度高、加工性能好等特点，成为航空领域内的重要结构材料。该系合金主要含有Zn、Mg和Cu等元素，其中Zn和Mg时效析出细小弥散的GP区、η’亚稳相和η平衡相，直接决定着强度性能；Cu的主要作用是提高应力腐蚀抗力和强度。为了进一步提高7000系超高强铝合金强度，必须增加其Zn、Mg、Cu等主合金元素含量，但同时伴随着铸造结晶相的增多，如T相(Al2Mg3Zn3)、η相(MgZn2)、S相(Al2CuMg)等，并且这些结晶相还能相互溶解，形成更为复杂的AlZnMgCu型四元相。如果最终热处理后基体中仍残留较多的粗大结晶相，除了消耗Zn、Mg、Cu等主合金元素而降低时效强度之外，还因其与基体化学电位差大、脆性大易成为裂纹萌生点，导致塑性、韧性、疲劳及耐蚀等一系列性能降低。
均匀化处理是消除铝合金铸锭中存在的元素偏析、组织偏析以及结晶相的主要方法。但是，随着7000系铝合金合金化程度的增加，铸造形成的结晶相种类也相应增加，且各自的非平衡固相线温度也不同。为了防止铸锭过烧，常规均匀化处理常在低于最低非平衡固相线温度10℃～40℃下进行。由于温度较低，导致均匀化处理时间长(常在24h以上)，且很难充分消除结晶相。为此，苏北华和陈康华等人分别提出高温均匀化和强化均匀化工艺，并取得了良好效果，但是对于合金化程度更高的7000系铝合金来说(例如，7055合金等)，均匀化处理效果仍不太理想。这首先因为结晶相数量、尺寸及稳定性随合金化程度提高而增加，即使长时间均匀化处理也不能获得非常满意的效果；其次，由于结晶相种类增加，各自的非平衡固相线温度不同，为了防止熔点较低的结晶相熔化过烧而难以使用较高的均匀化温度，因此熔点较高的结晶相难以溶解；再者，对于高合金化程度的合金来说，一部分铸造结晶相在均匀化高温下可能转化为平衡相，已无法再溶入基体中。因此，要使结晶相充分且快速地溶入基体中，必须提高合金熔化温度，从而能够采用更高温度进行均匀化处理，促进原子扩散速度，使得结晶相溶解更充分更快速。
铝合金铸锭均匀化处理是溶质原子扩散过程，通常只考虑温度和时间的影响，而忽略了压力的作用。Zhang F X(J.Appl.Phys.，1995，67，617-623.)等研究结果表明，在5GPa的压力作用下，纯铝熔点从660℃提高至1030℃左右；Al-Si、Al-Ge、Al-Li等合金凝固过程的研究结果也表明，高压作用能扩大富Al角单相区的熔化温度。本发明基于这一现象，在7000系铝合金均匀化处理时引入高压作用来提高均匀化处理温度，以消除铸造结晶相并缩短均匀化时间。
发明内容
本发明是针对高合金化程度的7000系铝合金铸造结晶相难以通过现有均匀化处理工艺来充分消除的问题，根据高压作用下铝合金熔化温度升高的特征，采用更高温度来进行均匀化热处理，从而实现快速且充分地消除铸锭结晶相的目的。
本发明的技术方案按以下4阶段进行1、铸锭预热预热的主要目的是适当提高铸锭塑性，防止顶压模具加压时造成铸锭开裂，但同时要保证预热温度不能超过铸锭过烧温度。预热温度范围在250～450℃，保温时间一般在10min～2h左右，具体时间根据铸锭尺寸来确定，只要保证热透即可。
2、加压施加压力类型为等静压。所施加的压力下限取决于铸锭合金化程度，合金化程度越高，则要求压力越大。压力下限一般在500MPa以上，而压力上限并无限制，主要取决于加压设备容量。
3、均匀化处理均匀化处理时需要确定二个参数，均匀化温度和保温时间。铸锭每承受100Mpa等静压力，其熔化温度可提高6℃左右，根据这一关系，均匀化温度一般在500℃～850℃。保温时间与加热温度密切相关，加热温度越高，则保温时间可适当缩短，通常在15min～2h之间。
4、冷却均匀化处理后试样冷却需要时，注意防止卸压冷却过程中因温度超过常压下铸锭熔化温度而导致铸锭熔化，因此可采取二种方式进行冷却。一是带压冷却，即保持均匀化压力，直到铸锭冷却。二是带压冷却到铝合金常压熔化温度以下(一般降至450℃以下)，再进行卸压冷却。
本发明具有以下三个显著优点(1)铸锭结晶相可充分固溶于铝基体中，从而消除未溶相对力学性能的不利影响。
(2)由于结晶相充分溶解，基体中Zn、Mg和Cu等主合金元素固溶度提高，可获得更高的时效强度。
(3)由于均匀化温度提高，均匀化处理时间大大缩短，从而降低材料制造成本。
图1高压均匀化处理流程图。
图2为实验合金铸态组织。
图3为铸锭X射线衍射分析。
图4为5GPa压力作用下经750℃/45min高压均匀化处理淬火后的微观组织。
图5为对应图4的X射线衍射分析结果。
图6为450℃/96h+460℃/128h常压强化均匀化处理淬火后的微观组织。
图7为对应图6的X射线衍射分析结果。
具体实施例方式
实例1实验材料为激冷铸造的7000系铝合金铸锭，其化学成分为Al-12Zn-3.5Mg-3.0Cu-0.14Zr(质量百分数)。图2为铸态组织扫描电镜照片，由图可见，基体中存在大量非平衡结晶相。这些非平衡结晶相主要以层状共晶出现。X射线衍射分析表明，这些结晶相为η相，如图3所示。
将铸锭机加工成直径10mm，高12mm的圆棒状试样。采用420缸径六面顶合成装置对试样先预热至350℃，保温30min，然后施加5GPa的等静压力，再升温至750℃，保持45min，然后带压冷却至室温。高压均匀化处理后的微观组织如图4所示。此时基体中的结晶相充分消除，只剩下单相固溶体组织。对应的X射线衍射分析结果也表明此时基本只剩下α-Al固溶体峰，如图5所示。
为了比较高压均匀化处理的效果，另对铸锭进行450℃/96h+460℃/128h常压强化均匀化处理，随后进行水冷淬火，其微观组织如图6所示。由图6可见，在常压下即使经过450℃/96h+460℃/128h均匀化处理，基体中仍然残留较多的第二相粒子，表明对于高合金化的超高强铝合金来说，采用常规均匀化处理很难充分消除结晶相。X射线衍射分析结果表明，这些残留的结晶相主要是T相和η相，如图7所示。
权利要求
1.一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的高压均匀化处理方法，其特征是按以下4阶段进行(1)铸锭预热预热温度范围在250～450℃，保温时间10min～2h；(2)加压施加压力类型为等静压，压力下限在500MPa以上；(3)均匀化处理均匀化处理时均匀化温度在500℃～850℃，保温时间15min～2h；(4)铸锭冷却均匀化处理后，采取二种方式进行冷却铸锭一是带压冷却，即保持均匀化压力，直到铸锭冷却；二是带压冷却到铝合金常压熔化温度以下，再进行卸压冷却。
全文摘要
本发明涉及一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的均匀化热处理方法，即对铸锭施加高等静压力的同时进行均匀化处理。其按铸锭预热、加压、均匀化处理、冷却4阶段进行，其中预热温度范围在250～450℃，保温时间在10min～2h左右，所施加的压力下限在500MPa以上，均匀化温度在500℃～850℃，保温时间在15min～2h之间。且可采取保持均匀化压力，直到铸锭冷却的带压冷却，或带压冷却到铝合金常压熔化温度以下，再进行卸压冷却二种不同方式。本发明根据高压作用下铝合金熔化温度升高的特征，采用更高温度来进行均匀化热处理，从而实现快速且充分地消除铸锭结晶相的目的。
文档编号C22F1/04GK101070584SQ20071002227
公开日2007年11月14日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者李海, 曹大呼, 王芝秀 申请人:江苏工业学院