本发明公开了一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，属于金属及合金的制备及热处理技术领域。
背景技术：
7xxx系铝合金具有超高的强度以及良好的塑性、韧性、抗应力腐蚀性能，一般作为结构件被广泛应用于航空航天以及轨道交通领域。
现代制造的结构件更趋向于大型化和整体化发展，用以取代传统由多种不同铝合金成分的散件拼装而成的组合式构件，从而进一步达到安全性与轻量化的要求。然而随着大型化结构件尺寸的增加，大厚度制品在淬火过程中往往会表现出较高的淬火敏感性。目前常用的7xxx铝合金比如7050、7055、7075等合金，在厚度大于120mm后，都会表现出表面与心部的性能差异较大的问题，很难满足实际应用的需求。
针对铝合金淬火敏感性问题，现有技术通常是通过改进合金的成分，比如提高zn/mg原子比，降低cu元素含量，或者是添加zr，er等微量元素的方法来降低合金的淬火敏感性[cn102703782a，一种超高强高淬透性al-zn-mg-cu合金，2012],[cn103266245b，一种低淬火敏感性al-zn-mg-cu系列铝合金,，2016]，[cn107245616a，一种600mpa级低淬火敏感性超高强铝合金及其制备方法，2017]，也有报道通过改进淬火设备来达到降低合金由淬火引起的强度不均匀性的目的[cn105441835a,一种高淬火敏感性铝合金挤压材在线淬火的装置和方法,2015]，或者采用改变后续的时效工艺的方法，这种方法并没有从本质上改善合金对淬火速率的敏感性，而是通过提高合金在慢速淬火速率下的析出强化效果来提高心部的强度，从而降低了大尺寸样品表面与心部性能的差异[lius,lic,hans,dengy,zhangx.effectofnaturalagingonquench-inducedinhomogeneityofmicrostructureandhardnessinhighstrength7055aluminumalloy.journalofalloys&compounds2015；625:34.]。
这些方法都取得了一定的成果，但也存在一定的局限性。比如通过改进合金成分，设计成功并商用的是以7085、7081为代表的合金，成分上，这些合金提高了zn的含量，降低了mg和cu的含量，同时对微量元素zr也有调整，但是由于mg含量偏低，与7050、7075等商业合金相比，其强度性能并无优势，也无法全面代替7050这类合金，并且设计新合金到商业应用也是一个复杂且昂贵的工作；改进淬火设备能有效改善淬火引起的强度不均匀性，然而该方法的适用范围比较小，一般只适用于挤压型材；通过改变后续时效制度的方法虽然能够在一定程度上提高合金慢速淬火条件下的硬度，比如引入长时间自然时效，但是文献报道的自然时效时间需要17820小时(2年)以上[lius,lic,hans,dengy,zhangx.effectofnaturalagingonquench-inducedinhomogeneityofmicrostructureandhardnessinhighstrength7055aluminumalloy.journalofalloys&compounds2015；625:34.]，也不符合工业生产的需求。
对铝合金引入预变形处理，改变后续时效状态的析出行为，从而获得位错强化与析出强化的综合效果来提高合金的强度，是一种基本的形变热处理方法，对于al-cu-mg以及al-mg-si合金能显著提高其力学性能[zhonglh,meilr,penglx,dengm,juanlh,huangl.effectofpre-deformationonmicrostructuresandmechanicalpropertiesofhighpurityal–cu–mgalloy.transactionsofnonferrousmetalssocietyofchina2016；26:1482],[hlc,llx,hws,hcj,qt,jc,yg.atuningnano-precipitationapproachforachievingenhancedstrengthandgoodductilityinalalloys.materials&design2014；54:144]。但是，对于7xxx合金引入预变形处理其性能提升往往不明显，有文献报道在7xxx合金中引入预变形会导致其强度下降，主要是由于预变形的位错引起析出相在后续时效过程中发生粗化[尹志民,蒋蓉蓉,李建湘,杨志兵,林勇强.固溶后预冷拉伸变形对时效态hs755合金组织和性能的影响.铝加工2009:8.],[linna,yilz,minzs.effectoflargecolddeformationaftersolutiontreatmentonprecipitationcharacteristicanddeformationstrengtheningof2024and7a04aluminumalloys.transactionsofnonferrousmetalssocietyofchina2006；16:1341]。
现有技术关于预变形的研究都是建立在基于完全水冷状态的铝合金，不存在淬透性的问题，至今没有关于针对7xxx铝合金慢速淬火状态下引入预变形对合金性能影响的相关研究报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单、操作方便的改善大尺寸7系铝合金由淬火引起的强度不均匀性的方法；采用本发明的工艺方法，能显著提高合金在淬火速率慢的部位的硬度，大大提升合金的淬透性。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，是对固溶淬火处理后的铝合金厚板进行总变形量≥10％的冷轧预变形处理，然后，进行人工时效处理。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，所述铝合金厚板是铝合金铸锭经均匀化处理、热轧后固溶处理得到的板材。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，所述铝合金厚板厚度≥30mm。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，固溶处理工艺参数为：固溶温度460℃-475℃，保温时间：0.5h-2h，水冷淬火至室温。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，铝合金厚板固溶淬火后至冷轧预变形的转移时间≤0.5h，转移时间优选为≤15分钟，更优选为≤10分钟，再优选为≤2分钟。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，冷轧预变形的总变形量为10％-50％；进行多道次冷轧变形，道次变形量≤8％，道次变形量优选为3-7％，更优选为4-6％。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，冷轧预变形后的板材至人工时效的转移时间≤1h，转移时间优选为0.1-30分钟，更优选为0.1-15分钟，再优选为0.1-10分钟。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，人工时效工艺参数为：时效温度115-125℃，时效时间20-30h。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，所述al-zn-mg-cu合金，包括下述组分按质量百分比组成：
zn：3.8-7.0；mg：1.5-2.8；cu：0-2.6；fe：＜0.35；cr：＜0.3；si：＜0.3；ti：＜0.2；zr：＜0.25；v：＜0.1；al：余量。
本发明一种改善大尺寸7系铝合金淬火后强度不均匀性的方法，处理后的铝合金较未经预变形处理的铝合金表层硬度不显著降低的情况下，心部硬度提高30％，大幅减少了合金表面与心部的硬度差异。
发明人通过研究发现：对于7xxx合金通过引入预变形，在铝合金基体中产生较多的位错，能显著提高在合金过饱固溶度不足情况下的形核动力，提升合金在慢速淬火条件下强化相的析出速率，弥补由于过饱和淬火空位减少带来的析出强化效果的减弱，大幅提高合金在慢速淬火条件下的时效强度，对慢速淬火状态下合金硬度的提高达到30％，弥补了慢速淬火条件下预变形对合金性能影响研究的空白。而预变形对快速淬火状态的部位硬度略微降低，这与前人的研究结果类似。因此，通过对大尺寸7xxx铝合金淬火后引入预变形，能在不显著降低合金表面的硬度条件下，大幅提高合金心部的硬度，从而大幅改善合金由淬火引起的强度不均匀性，使合金的强度在满足服役条件下，整体性能得以提升。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)前人改善铝合金的淬火敏感性主要通过调整合金元素，而设计新合金到大批量成熟应用是一个相当漫长而且复杂的过程。本发明的应用对象为目前已经成熟商用的7xxx铝合金，仅仅添加一道加工工艺流程，就能显著降低合金由淬火引起的强度不均匀性，操作简单，适用范围广。原则上时效强化的2xxx、6xxx铝合金同样适用。
(2)不需要改变淬火的工艺设备，仍然采用的是常规淬火的方法，只是在淬火之后引入预变形。
(3)由于引入了预变形，合金在时效后同时具备位错强化与析出强化的综合效果，使得合金在淬火速率慢的部位仍然能保持较高的硬度，大大提升了淬透性，对于高淬火敏感性的合金，其淬透性能提升30％，对于低淬火敏感性的材料，甚至能完全消除其淬火敏感性。
附图说明
附图1为7050铝合金引入预变形与没有预变形末端淬火硬度图。
附图2为7050铝合金引入预变形与没有预变形末端淬火硬度保留值曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，所述实施例仅仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实例所选取铝合金为普通商用7050铝合金，其淬火敏感性非常高，各合金元素具体含量为：zn：6.1；mg：2.2；cu：2.3；mn：0.1；fe：0.15；cr：0.04；si：0.12；ti：0.06；zr：0.10；al：余量(wt.％)。该合金为充分均匀化处理后的热轧板材，厚度35mm。
本实例用末端淬火实验来体现预变形对于合金淬火敏感性的影响，实例选取两组样品，第一组为不经过任何处理，直接将合金固溶后末端淬火，之后进行t6峰值时效。第二组样品固溶末端淬火后，引入冷轧变形量为20％的预变形处理，再进行同样的t6峰值时效，然后对比两组实验的硬度数据。
第一组实验：
(1)样品准备：采用机械加工的方法，将铝合金板材加工成35mm×35mm×120mm棒状样品。
(2)固溶处理：将样品置于空气循环炉中，固溶制度为475℃保温1h。
(3)末端淬火：淬火转移时间小于10秒，淬火介质为25℃水，末端喷水嘴直径为
(4)时效处理：将末端淬火后的样品立即进行人工时效处理，时效制度为120℃/24h。
第二组实验：
(1)样品准备：采用机械加工的方法，将铝合金板材加工成35mm×35mm×120mm棒状样品。
(2)固溶处理：将样品置于空气循环炉中，固溶制度为475℃保温1h。
(3)末端淬火：淬火转移时间小于10秒，淬火介质为25℃水，末端喷水嘴直径为
(4)预变形：将末端淬火后的样品进行冷轧变形，为了保证铝合金棒材的长度不发生变化，冷轧方向为样品的宽度方向，经过4道次轧制变形由35mm冷轧为28mm，冷轧变形量20％，平均每道次压下量5％。
(5)时效处理：将预变形后的样品立即进行人工时效处理，时效制度为120℃/24h。
结果分析：
将两组实验所得的样品，采用线切割的方法将样品从心部切开，测量距离淬火端不同位置截面处的硬度，每个截面测量5个位置的硬度，选取平均值作为该截面的硬度，并绘制硬度随离淬火端不同截面距离的变化曲线，以及硬度随离淬火端不同截面距离变化的硬度保留值曲线。其中硬度保留值为该截面的硬度与样品淬火端硬度的比值。
表17050合金末端淬火硬度
如表1所示为7050合金常规处理的末端淬火硬度，我们可以发现合金的水冷t6状态能达到180hv的硬度，然而随着距离淬火端距离越远，淬火速率减慢，合金的硬度逐步降低到100hv左右，下降幅度达到了44％，表现出了很高的淬火敏感性。
表27050合金引入预变形后末端淬火硬度
如表2所示为7050铝合金末端淬火后引入预变形在同样的时效制度下的硬度。从表中可以看出引入预变形后，水冷端硬度为176hv，相比于没有变形的状态，硬度稍微降低了4hv，这有可能是由于预变形加速了后续时效的析出引起析出相粗化导致了性能的略微下降。然而在慢速冷却端的硬度稳定在130hv左右，硬度值相比于没有预变形的状态提高了30hv。所以，通过引入预变形，使得合金表面硬度下降2.2％的情况下，心部硬度相比于没有预变形状态提升30.0％
从图17050铝合金引入预变形与没有预变形末端淬火硬度图中我们可以明显的看出，引入预变形后，极大的提高了合金在慢速淬火条件下时效硬度，实现了在保证淬硬性的前提下，大大提高合金心部硬度。图2所示为两种不同状态下的硬度保留值变化曲线，从图中我们也能发现，通过引入预变形，7050铝合金的慢速淬火端的硬度保留值由55％提高到74％，对于淬硬性的提升幅度为34.5％。因此，通过引入预变形，大大降低了合金表面与心部硬度差，有效改善了7系铝合金淬火后强度的不均匀性。