一种7075铝合金低温超声时效处理方法与流程

本发明涉及铝合金热处理技术领域，具体涉及一种7075铝合金低温超声时效处理方法。

背景技术

铝合金具有良好的导电性、导热性、抗腐蚀性和高的比强度、比刚度等优点，广泛应用于航空、航天、交通等领域。7075铝合金属于al-zn-mg-cu系可热处理强化合金，它具有高强度、热加工性能好等优点，是航空航天领域的主要结构材料之一。其主要的缺点是抗疲劳性能差、对应力集中敏感，有明显的应力腐蚀倾向，耐热性低于硬铝。近几十年来，通过研究调整铝合金成分，提高冶炼质量和采用一系列新的热加工工艺和热处理制度，可以显著提高铝合金的综合性能。然而7075铝合金热加工温度范围窄，工艺要求苛刻，热加工比较困难。因此，改进7075铝合金的热加工工艺和热处理制度显得尤为重要。

7075超高强铝合金是典型的热处理强化合金,其热处理工艺一直以来都备受广大研究者的关注。适当的热处理可以改善化学成分和组织的不均匀性,改善析出相的形状、尺寸及分布,进而提高合金的力学性能和耐腐蚀性能。超高强铝合金的热处理工艺主要包括均匀化退火、固溶处理、时效处理、回归再时效热处理和形变热处理等,其中固溶处理和时效处理对合金的性能影响最大，是目前实际工程应用的工艺方法。

7075铝合金经固溶处理后必须进行人工时效处理才能获得良好的强度、韧性和抗腐蚀性能。时效处理，又称低温回火，是把经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷直至室温，使过饱和的固溶体分解，某些强化相的脱溶析出而产生硬化(即时效强化)提高合金强度。铝合金在时效处理过程中，随温度的上升和时间的延长，约经过以下阶段：过饱和固溶体点阵内原子的重新组合，生成溶质原子富集区(称为g-pⅰ区)；g-pⅰ区消失，第二相原子按一定规律偏聚并生成g-pⅱ区；之后生成亚稳定的第二相(过渡相)，大量的g-pⅱ区和少量的亚稳定相结合；亚稳定相转变为稳定相、第二相质点聚集等。时效过程中，铝合金强度、硬度上升，塑性韧性下降。

目前，为提升铝合金时效后的综合力学性能，时效工艺主要采用单级时效和双级时效工艺路线，时效时间一般均在24小时以上，工艺复杂，效率较低。

单级时效是一级时效,生产工艺简単。当时效温度较低时,合金主要析出相为与基体共格的gp区,时效温度较高吋,主耍析出相为与基体半共格的η′相；时效温度更高时,主要析出相为与基体不共格的η相并长大粗化。且当采用峰值时效(t6)时,析出相密度高、尺寸小,合金可达到最高强度,但由于此时主要强化相是gp区、η′相和少量的η相,晶界为连续链状的析出物,具有较高的应力腐蚀敏感性和较低的断裂扨性。

双级时效包括两个阶段,即低温预时效和高温时效。第一阶段的低温预时效相当于成核阶段,晶内形成大量细小弥散的gp区,这些细小弥散的析出相作为核心优先成核转化为η′相；第二阶段的高温时效在晶内主要形成gp区和η′相,在晶界上形成t1相。t73、t76和t74属于双级时效制度,t73和t76与t6态相比静强度降低15％左右,但抗应力腐蚀性能大大增加；t74与t6态强度接近,抗应力腐蚀性能优于t73,但比t76差。总的来说,双级时效相当于一种过时效,强度有所降低,但抗应力腐蚀性能得到极大改善。

综上所述，目前国内外学者主要集中在7075铝合金时效显微组织演化、单级和多级时效处理等方面的研究，针对时效过程利用超声处理改善时效工艺，提高生产效率，并从而改善7075铝合金的力学性能并没有任何研究结论。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提升7075铝合金综合性能的热处理方法。以解决目前7075铝合金时效工艺复杂，时效时间长效率低，尚需进一步提高时效铝合金性能的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的一种7075铝合金低温超声时效处理方法，包括如下步骤：

(1)将恒温油浴锅中油浴温度升至20-120℃，并保温；

(2)将经固溶处理后的7075铝合金工件放入油浴液中保温一段时间；

(3)7075铝合金工件温度升至油浴温度后，利用超声设备将超声场导入油浴液中，超声频率范围为15-50khz，超声强度为1-20w/cm²，时效过程时间为1-3h；

(4)关闭超声设备，取出超声工具头，将7075铝合金工件取出油浴锅并空冷至室温。

优选的，所述步骤(1)中油浴介质为甲基硅油。

优选的，所述步骤(3)中超声场导入盐浴液中的方式为直接输入、间接输入和连接工件输入三种中的任意一种。

优选的，所述直接输入的方法为将超声工具头插入工件上方油浴液表面下1-2cm处，开启超声。

优选的，所述间接输入的方法为将超声工具头与油浴容器相接，开启超声，将超声振动间接输入油浴液。

优选的，所述连接工件输入的方法为将超声工具头与工件表面紧密固定相接，开启超声，将超声振动直接传入工件基体。

优选的，所述步骤(3)中超声场的输入方式为连续超声输入或脉冲式超声输入。

优选的，所述脉冲式超声输入的具体方法为每隔10min进行一次时长30min的超声处理。

功率超声通常指能量高于1w/cm2，频率低于100khz的超声波，该类超声波主要用于超声加工领域。功率超声的力-声联合效应是指同时将功率超声的超声频微幅机械振动和一系列特殊的声学效应应用在相关工艺过程中，依靠其共同作用达到最终的目的需求。

申请人研究发现，在时效过程中铝合金固体中导入一定振动频率和功率的超声场，可有效降低7075铝合金成分所对应的最低时效所需温度，且在高频振动条件下，铝合金组织中的原子扩散运动速度加快，晶界移动加强。表现为铝合金时效处理所需时效温度降低；析出相析出速度加快，所需析出时间大幅减少；析出相数量增大，尺寸更为细小，分布更为弥散。

本发明的有益效果：本发明通过对7075铝合金的时效过程中加入超声处理，可降低常规时效过程的所需时效温度，大幅减少时效所需时间，在低温乃至常温下即可达到析出相从固溶体基体中大量析出效果。且析出相数量增大，尺寸更为细小，分布更为弥散，改善了铝合金热处理组织，提升铝合金综合性能。

与常规时效热处理方法相比，可降低时效工艺要求和热处理成本，提高效率，改善铝合金时效热处理组织，提升铝合金综合性能。

附图说明

图1为500倍下经固溶处理后的7075铝合金金相组织。

图2为本发明实施例1中超声时效处理后所得试样的100倍金相组织图，(a)试样横截面(b)试样纵截面，超声30min。

图3为本发明实施例2中超声时效处理后所得试样的100倍金相组织图，(a)试样横截面(b)试样纵截面，超声60min。

图4为本发明实施例3中超声时效处理后所得试样的100倍金相组织图，(a)试样横截面(b)试样纵截面，超声90min。

图5为本发明对比例1中超声时效处理后所得试样的100倍金相组织图，(a)试样横截面(b)试样纵截面。

图6为本发明实施例3与对比例1中超声时效处理后所得试样的扫描电镜金相组织图(5.00μm)，(a)实施例1试样(b)实施例1试样。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将集合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本发明实施例中所用7075铝合金化学成分如下表1所示：

表17075铝合金化学成分(wt.％)

实施例1

一种7075铝合金低温超声时效处理方法，其包括如下步骤：

(1)将恒温油浴锅中油浴温度升至120℃并保温。油浴介质为甲基硅油。

(2)将经固溶处理后的7075铝合金工件放入油浴液中保温。

(3)工件温度升至油浴温度后，随即将功率超声场导入油浴液中。功率超声场导入过程采用连续输入，将超声工具头与工件表面紧密固定相接，开启超声，将超声振动直接传入工件基体。超声频率范围为40khz；超声强度为15w/cm²。时效过程时间为1h。

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件取出油浴锅并空冷至室温。

实施例2

一种7075铝合金低温超声时效处理方法，其包括如下步骤：

(1)将恒温油浴锅中油浴温度升至80℃并保温。油浴介质为甲基硅油。

(2)将经固溶处理后的7075铝合金工件放入油浴液中保温。

(3)工件温度升至油浴温度后，随即将功率超声场导入油浴液中。功率超声场导入过程采用连续输入，将超声工具头插入工件上方油液表面下1-2cm处，开启超声。超声频率范围为30khz；超声强度为10w/cm²。时效过程时间为1.5h。

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件取出油浴锅并空冷至室温。

实施例3

一种7075铝合金低温超声时效处理方法，其包括如下步骤：

(1)将恒温油浴锅中油浴温度保持25℃室温并保温。油浴介质为甲基硅油。

(2)将经固溶处理后的7075铝合金工件放入油浴液中保温。

(3)工件温度升至油浴温度后，随即将功率超声场导入油浴液中。功率超声场导入方式采用将超声工具头与油浴容器相接，开启超声，将超声振动间接输入油浴液。功率超声场导入过程采用脉冲方式，即在时效过程中每隔10min进行一次时长30min的超声处理。超声频率范围为20khz；超声强度为5w/cm²。时效过程时间为2h。

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件取出油浴锅并空冷至室温。

对比例3

一种7075铝合金时效处理方法，其包括如下步骤：

(1)将恒温油浴锅中油浴温度保持120℃室温并保温。油浴介质为甲基硅油。

(2)将经固溶处理后的7075铝合金工件放入油浴液中保温。

(3)工件温度升至油浴温度后，进行长时间保温时效。时效过程时间为14h。

(4)将工件取出油浴锅并空冷至室温。

基于上述，对实施例1、实施例2、实施例3与对比例1进行固溶处理后的试样进行金相观察。图中可以看出：

1)对比图1，实施例1、实施例2、实施例3与对比例1均能有效从固溶体晶粒中析出大量析出强化相，实现铝合金时效的技术要求。

2)从实施例1的图2、实施例2的图3、实施例3的图4与对比例1的图5和图6对比可以看出，在保证及提高时效效果的前提下，时效过程中超声场的的输入可大幅的减少时效所需时间，降低时效温度。图2/3/4中析出相亦较图5无超声输入、更长保温时间的对比例1尺寸更小、数量更多，分布的更为均匀弥散。

3)实施例1为高温下高频、大功率超声短时输入，实施例3为低温下低频、小功率超声长时输入、实施例2超声介于实施例1实施例3之间。对比实施例1/2/3的图2/3/4可以看出，实施例3效果最佳。

综上所述，本发明中的超声处理过程对7075铝合金试样的时效效果和进程均具有明显的提升，且能大幅的减少时效所需时间，降低时效所需温度。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。