一种7075铝合金超声固溶处理方法与流程

本发明涉及铝合金热处理技术领域，具体涉及一种7075铝合金超声固溶处理方法。

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。

固溶处理是将合金加热至一定温度,使第二相全部或最大限度地溶入固溶体并保持一段时间后,快速冷却至室温从而获得一种不稳定的过饱和固溶体,该过饱和固溶体有发生分解和析出过剩原子的自发趋势。固溶处理后获得的过饱和固溶体直接影响到下一歩的时效效果。目前研究较多的是常规固溶处理、强化固溶处理和多级固溶处理。

通过提高固溶温度、延长固溶时间可以使可溶的第二相粒子充分回溶到基体中,提高合金的固溶程度,最大发挥合金的时效强度潜力。但固溶温度过高易导致试样过烧和热处理固溶时间难以掌控，即高温固溶下合金原晶粒组织长大速度过快，固溶时间窗口短。小于固溶时间即造成部分析出相未能溶入固溶晶粒，大于固溶时间则造成合金原晶粒组织生长过大即过烧现象。目前为解决这一问题，多采用强化固溶处理和多级固溶处理方法。但工艺复杂，生产效率降低。

此外，铝合金在一定固溶温度下，进行连续拉伸压缩变形过程可发生动态再结晶现象，得到细化的固溶晶粒组织。万菊林等研究al-cu-mg-zn-cr合金热扭转过程中的连续动态再结晶机理，认为该合金在高温慢速扭转时，在足够的变形量下可以通过连续动态再结晶细化晶粒，并且这一过程是通过亚晶界的转动合并机制实现的。张小明等研究了多向反复锻造对7075铝合金显微组织的细化作用。刘文娟采用高温等温压缩试验以及挤压试验等方法，研究了7075超硬铝合金的高温塑性变形行为；分析了合金高温塑性变形过程中的流变应力、应变、应变速率和温度的相互关系及动态回复和动态再结晶行为；探讨了热压缩变形条件与变形组织间的关系及挤压温度、速度条件对7075铝合金棒材挤压成形性、组织与性能的影响。周建等认为7075合金在较低的应变速率下其软化机制是动态回复，在较高的应变速率下会发生不连续的动态再结晶。林琛采用高温拉伸的试验方法研究了7075铝合金的高温塑性变形规律，分析了在高温变形过程中材料组织的变化规律。

综上所述，目前国内外学者主要集中在7075铝合金固溶显微组织演化、强化固溶处理和多级固溶处理等方面的研究，针对固溶过程利用超声处理改善固溶工艺并从而改善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铝合金热加工温度范围窄，工艺要求苛刻，热加工比较困难的技术问题。

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铝合金超声固溶处理方法，包括如下步骤：

(1)盐浴炉中，将盐浴温度升至430-465℃并保温；

(2)将7075铝合金工件放入盐浴液中保温，使7075铝合金工件温度升至盐浴温度；

(3)工件温度升至盐浴温度后，利用超声设备将超声场导入盐浴液中，超声频率范围为15-50khz；超声强度为1-20w/cm²，保温超声处理时间为20～60min；

(4)关闭超声设备，取出超声工具头，将工件快速取出盐浴炉并快速冷却淬火。

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，所述步骤(1)中盐浴液介质为硝盐浴，成分为nano3、kno3或其两者混合物，使用温度在200-600℃之间。

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盐液表面下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盐浴容器相接，开启超声，将超声振动间接输入盐浴液。

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(4)中淬火介质为室温下的流动水，所述淬火转移时间小于8s。

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，在固溶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固溶温度，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。表现为铝合金固溶处理所需固溶温度降低；析出相固溶速度加快，所需固溶时间大幅减少；固溶体晶粒长大程度减轻。

本发明的有益效果：本发明通过对7075铝合金的固溶过程中加入超声处理，从而降低常规固溶过程的所需固溶温度，减少晶粒长大程度，防止出现组织过烧现象，进而增大了铝合金固溶温度区间范围，降低工艺要求。可大幅减少固溶时间，降低热处理成本，提高效率，改善铝合金热处理组织，提升铝合金综合性能。

附图说明

图1为500倍下未经固溶时效处理的7075原组织。

图2为本发明实施例1中超声固溶处理后所得试样的500倍金相组织图。

图3为本发明实施例2中超声固溶处理后所得试样的500倍金相组织图。

图4为本发明实施例3中超声固溶处理后所得试样的500倍金相组织图。

图5为本发明对比例1中超声固溶处理后所得试样的500倍金相组织图。

图6为输入超声频率为20khz时不同超声功率与7075铝合金最低固溶温度关系曲线。

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铝合金超声固溶处理方法，其包括如下步骤：

(1)将盐浴炉中盐浴温度升至430℃温度并保温。盐浴液介质为硝盐浴，成分为50％kno3+50％nano3，使用温度在230-550℃之间。

(2)将7075铝合金工件放入盐浴液中保温。

(3)工件温度升至430℃后，随即将超声工具头插入工件上方盐液表面下1-2cm处，开启超声。超声频率为40khz；超声强度为15w/cm²，保温超声处理时间为20min；

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件快速取出盐浴炉，并快速淬入室温流动水中冷却，转移时间小于8s。

实施例2

一种7075铝合金超声固溶处理方法，其包括如下步骤：

(1)将盐浴炉中盐浴温度升至445℃温度并保温。盐浴液介质为硝盐浴，成分为100％nano3，使用温度在350-600℃之间。

(2)将7075铝合金工件放入盐浴液中保温。

(3)工件温度升至445℃后，随即将超声工具头插入工件上方盐液表面下1-2cm处，开启超声。超声频率为30khz；超声强度为10w/cm²，保温超声处理时间为30min；

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件快速取出盐浴炉，并快速淬入室温流动水中冷却，转移时间小于8s。

实施例3

一种7075铝合金超声固溶处理方法，其包括如下步骤：

(1)将盐浴炉中盐浴温度升至460℃温度并保温。盐浴液介质为硝盐浴，成分为100％kno3，使用温度在350-600℃之间。

(2)将7075铝合金工件放入盐浴液中保温。

(3)工件温度升至460℃后，将超声工具头与盐浴容器相接，开启超声，将超声振动间接输入盐液。超声频率为20khz；超声强度为5w/cm²，保温超声处理时间为50min；

(4)关闭超声，取出超声工具头。将工件快速取出盐浴炉，并快速淬入室温流动水中冷却，转移时间小于8s。

对比例1

一种7075铝合金固溶处理方法，其包括如下步骤：

(1)将炉中盐浴温度升至470℃温度并保温。盐浴液介质为硝盐浴，成分为100％kno3，使用温度在350-600℃之间。

(2)将7075铝合金工件放入盐浴液中保温。工件温度升至470℃后保温，保温时间为60min；

(4)将工件快速取出盐浴炉，并快速淬入室温流动水中冷却，转移时间小于8s。

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均能有效消除析出相，实现析出相固溶入α固溶体铝晶粒中的要求。

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对比可以看出，在保证及提高固溶效果的前提下，固溶过程中超声场的的输入可大幅的减少固溶所需时间，降低固溶温度。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尺寸更少、分布的更为均匀弥散。

3)实施例1为高频、大功率超声短时输入，实施例3为低频、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2效果最佳。

综上所述，本发明中的超声处理过程对7075铝合金试样的固溶效果和进程均具有明显的提升，且能大幅的减少固溶所需时间，降低固溶温度。

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。