本发明涉及一种7系铝合金及提高其耐应力腐蚀能力的方法，用于推进7系铝合金在汽车和轨道交通等领域的应用。本发明属于金属材料技术领域。
背景技术：
7系铝合金是主要以al-cu-mg和al-zn-mg-cu为材料的合金。这类高强度合金具有比重小、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特点，被广泛地应用于航空及民用工业等领域，是航空工业的主要结构材料。例如，美国波音747、767、757、777飞机用铝合金材料的占比高达70％～80％。此外，超高强铝合金也是重要的轻质高强结构材料，在轨道交通和汽车领域具有广阔的应用前景。铝合金在轨道交通领域的应用最早可追溯到1896年，法国国家铁路首次使用铝合金客车窗框。目前，铝合金材料已经被广泛应用于国内外高速列车中，除7系铝合金外，还包括5系(al-mg)和6系(al-mg-si)铝合金。针对底架、枕梁等高强度要求的关键部件，必须采用强度相对较高的可焊7系铝合金，例如7n01、7003。
根据交通车辆的服役特点，这类高强铝合金不仅需要具有较高的强度、良好的热变形性能，而且还需要有优良的焊接性能。al-zn-mg系高强铝合金主要用于车辆重要受力构件车体底架上，部件在加工和服役过程中无法避免残余应力和外加载荷的作用。在特定的腐蚀环境，如cl-存在的条件下，铝合金构件在受拉应力作用时极易发生应力腐蚀开裂(stresscorrosioncracking,简称scc)。近30年来，我国将主要精力放在7系铝合金的研发上。实践证明，借助航空领域微合金化思路来开发高强度可焊7系铝合金需要面临诸多挑战。例如，为提高合金强度，zn和mg总含量必须达到或高于8％，但这将提高合金应力腐蚀开裂倾向；al-zn-mg-cu合金虽然能获得高强度和抗应力腐蚀性能，但cu元素的大量加入，会严重损坏合金的焊接性能。
高强合金中主元素比例及主要微量元素都是影响合金性能的重要因素。轨道交通用铝合金在微合金化探索上，急需克服微量元素在耐腐蚀性能与焊接性能间的矛盾关系。此外，在7系铝合金实际开发中，往往采用不同的热处理制度，为平衡这层矛盾关系又增加许多困难。
专利文献cn110184513a记载了一种高抗应力腐蚀al-zn-mg-cu铝合金型材及其制备方法，其包括：si≤0.1％，fe≤0.1％，cu＝0.12～0.14％，mn＝0.23～0.25％，mg＝0.75～0.8％，cr＝0.15～0.17％，zn＝5.7～5.8％，zr＝0.16～0.19％，ti＝0.02～0.04％，fe/si比值1.8～2.5，zn/mg比控制在7.1-7.7。制备方法包括熔炼、精炼、精华熔体、铸造、均匀化退火、挤压、固溶淬火、去应力和时效处理。但其是采用牺牲强度(抗拉强度最高仅达到345mpa)的方法来获得更高的耐应力腐蚀能力。
技术实现要素：
基于以上矛盾点，本发明提供一种提高7系铝合金耐应力腐蚀的方法。本发明综合考虑zn、mg、cu三种元素对合金的力学性能和抗应力腐蚀性能的影响，首先控制zn/mg比大于2.2，且cu含量大于mg含量，让cu元素充分与其他元素结合产生强化相s(cumgal2)而提高合金的强度；其次，将cu含量控制在3％以内，以满足铝合金的焊接性能。为进一步提高合金的耐应力腐蚀能力，本发明添加少量的mn、cr、ti，微量cr、mn主要进入因能量起伏和结构起伏所形成的原子团簇中，作为al3ti形核基底，在均匀化处理过程中析出弥散均匀的al3ti粒子，使得合金具备更好的抑制再结晶作用。此外，本发明设计将t6态合金进行短时间回归，让大部分析出相重新溶解到α固溶体中，然后立即进行分级时效，在大的温度跨度和短的高温时效时间下，造成η’相并没有完全转化成η相，最终导致晶界处析出相呈骨骼状组织分布的现象，且因为η’相的存在，合金具有更高的硬度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种耐应力腐蚀的7系铝合金，包括以下质量百分含量的各成分：zn6.5～7.0％，cu2.0～2.5％，mg1.3～2.0％，ti0.03～0.1％，cr0.15～0.30％，mn0.10～0.20％，fe≤0.10％，其余为al。
优选地，所述zn、mg的总含量控制在8.5％以内，zn/mg质量比控制在3.4～5。
本发明提供了一种提高7系铝合金耐应力腐蚀能力的方法，所述方法包括熔炼、均匀化处理、挤压、固溶和峰值时效、回归、分级时效处理。
优选地，所述的熔炼过程具体采用以下方法：
首次加高纯铝的温度在300℃，当温度升至800℃以上，加入al-10zr合金保温15～30min，之后开始降温，并依次加入al-50cu、纯zn、al-10cr、纯mg和al-5ti-b；然后在精炼温度720～730℃时精炼，需要加入占熔炼总重量4％的精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理，然后保温10～20min；之后将熔体浇注到预热温度为160～240℃的模具中，获得铝合金铸锭。
优选地，所述的均匀化处理过程具体采用以下方法：
对熔炼后获得的铝合金铸锭在460℃～480℃下进行均匀化处理24～36h，然后进行热水淬处理。
优选地，所述的挤压过程具体采用以下方法：
将均匀化处理得到的铝合金在400℃～450℃的烘箱中保温0.5～1h，然后在380℃～430℃的模具中进行挤压，挤压比为16：1。
优选地，所述的固溶和峰值时效过程具体采用以下方法：
将挤压得到的铝合金在460℃～490℃下固溶18～24h，热水淬火，然后在125℃～225℃油浴炉中峰值时效4～36h，冷水淬火。
优选地，所述的回归过程具体采用以下方法：
对t6态合金进行短时回归处理，具体为在180℃～230℃的热处理中进行10～30min的回归处理。
优选地，所述的分级时效过程具体采用以下方法：
铝合金经回归处理后立即进行分级时效，依次在90℃～110℃和160℃～200℃下时效5～12h，冷水淬火。
本发明向铝基体中加入zn、mg、cu、ti、cr和mn元素，微量cr、mn主要进入因能量起伏和结构起伏所形成的原子团簇中，作为al3ti形核基底，在均匀化处理过程中析出弥散均匀的al3ti粒子，使得合金具备更好的抑制再结晶作用，再对挤压态合金进行固溶和峰值时效处理至t6态，随后立即进行回归和分级时效处理，进而改善时效析出相的尺寸和分布情况，从而提高7系铝合金的耐应力腐蚀能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明将zn、mg的总含量控制在8.5％以内，zn/mg质量比控制在3.4～5范围内，在获得较高的强度和塑性的前提下，确保组织中不会因为zn、mg质量的增加而造成残留的粗大未溶相的增多。
2)本发明通过确保zn、mg、cu的合金配比让合金组织形成s相来获得更高的强度，并控制cu的含量不超过3％，以降低合金裂纹扩展速率。
3)本发明设计将t6态合金进行“回归+分级时效”，来调整析出相的尺寸和分布情况，从而提高合金的耐应力腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种耐应力腐蚀的7系铝合金材料，其各成分的质量百分比分别为：zn6.5％，cu2.5％，mg1.9％，ti0.04％，cr0.23％，mn0.20％，fe0.10％，其余为al，其中zn/mg＝3.42。
首先进行合金熔炼，步骤如下：首次加高纯铝的温度在300℃，当温度升至800℃以上，加入al-10zr合金保温15min，之后开始降温，并依次加入al-50cu、纯zn、al-10cr、纯mg和al-5ti-b。精炼温度在730℃左右，需要加入占熔炼总重量4％的精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理，然后保温10min。之后将熔体浇注到预热温度为160℃的模具中，获得铝合金铸锭。
铝合金铸锭后续进行的热处理，步骤如下：对铝合金铸锭在480℃下均匀化处理36h，热水淬火；挤压前在410℃烘箱中进行保温1h，在380℃模具下进行挤压处理，挤压比为16：1；获得的挤压棒在485℃下固溶24h，热水淬火，之后立即在210℃的油浴炉中时效12h，达到t6态；t6态合金在225℃下回归15min，热水淬火，冷却至室温后立即进行107℃/6h+177℃/6h的分级时效。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为587.3mpa，抗拉强度σb(空气)为610.4mpa，延伸率δ空气为16.9％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为556.3mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为578.3mpa，延伸率δ3.5％nacl为12.8％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.05259。
实施例2
一种耐应力腐蚀的7系铝合金材料，其各成分的质量百分比分别为：zn7.0％，cu2.0％，mg1.4％，ti0.09％，cr0.30％，mn0.15％，fe0.07％，其余为al，其中zn/mg＝5。
首先进行合金熔炼，步骤如下：首次加高纯铝的温度在300℃，当温度升至800℃以上，加入al-10zr合金保温20min，之后开始降温，并依次加入al-50cu、纯zn、al-10cr、纯mg和al-5ti-b。精炼温度在720℃左右，需要加入占熔炼总重量4％的精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理，然后保温15min。之后将熔体浇注到预热温度为220℃的模具中，获得铝合金铸锭。
铝合金铸锭后续进行的热处理，步骤如下：对铝合金铸锭在470℃下均匀化处理24h，热水淬火；挤压前在430℃烘箱中进行保温45min，在400℃模具下进行挤压处理，挤压比为16：1；获得的挤压棒在475℃下固溶18h，热水淬火，之后立即在175℃的油浴炉中时效24h，达到t6态；t6态合金在200℃下回归10min，热水淬火，冷却至室温后立即进行92℃/10h+182℃/10h的分级时效。
该耐应力腐蚀铝合金在ssrt中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为639.1mpa，抗拉强度σb(空气)为667.4mpa，延伸率δ空气为15.3％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为584.6mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为618.6mpa，延伸率δ3.5％nacl为10.3％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.07312。
实施例3
一种耐应力腐蚀的7系铝合金材料，其各成分的质量百分比分别为：zn6.8％，cu2.3％，mg1.7％，ti0.06％，cr0.15％，mn0.10％，fe0.02％，其余为al，其中zn/mg＝4。
首先进行合金熔炼，步骤如下：首次加高纯铝的温度在300℃，当温度升至800℃以上，加入al-10zr合金保温25min，之后开始降温，并依次加入al-50cu、纯zn、al-10cr、纯mg和al-5ti-b。精炼温度在730℃左右，需要加入占熔炼总重量4％的精炼剂对铝合金液进行炉内精炼除气除渣处理，然后保温15min。之后将熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，获得铝合金铸锭。
铝合金铸锭后续进行的热处理，步骤如下：对铝合金铸锭在460℃下均匀化处理30h，热水淬火；挤压前在450℃烘箱中进行保温30min，在430℃模具下进行挤压处理，挤压比为16：1；获得的挤压棒在475℃下固溶20h，热水淬火，之后立即在125℃的油浴炉中时效36h，达到t6态；t6态合金在185℃下回归25min，热水淬火，冷却至室温后立即进行100℃/8h+200℃/8h的分级时效。
该耐应力腐蚀铝合金在ssrt中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为634.7mpa，抗拉强度σb(空气)为648.8mpa，延伸率δ空气为13.8％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为598.3mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为607.3mpa，延伸率δ3.5％nacl为11.2％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.06396。
实施例4
实施例4与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中，采用的耐应力腐蚀的7系铝合金材料的各成分的质量百分比分别为：zn7.0％，cu2.0％，mg2.0％，ti0.09％，cr0.30％，mn0.15％，fe0.07％，其余为al，其中zn/mg＝3.5。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为587.2mpa，抗拉强度σb(空气)为619.4mpa，延伸率δ空气为14.8％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为564.8mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为566.9mpa，延伸率δ3.5％nacl为8.5％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.08476。
对比例1
对比例1中涉及的材料是t6态的合金，与实施例1相比，后续未进行回归和分级时效处理。对比例1中的合金成分和其他制备过程的实验参数与实施例1一致。
本对比例铝合金在ssrt中的力学性能表现为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为553.7mpa，抗拉强度σb(空气)为584.2mpa，延伸率δ空气为13％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为506.9mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为529.6mpa，延伸率δ3.5％nacl为7.2％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.09346。
对比例2
对比例2与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，不进行回归处理，即获得的t6态合金冷却至室温后直接进行167℃/6h+177℃/6h的分级时效。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为634.9mpa，抗拉强度σb(空气)为688.4mpa，延伸率δ空气为17.3％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为576.3mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为581.9mpa，延伸率δ3.5％nacl为11.6％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.15471。
对比例3
对比例3与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，进行回归处理的条件为：t6态合金在240℃下回归15min。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为579.6mpa，抗拉强度σb(空气)为607.3mpa，延伸率δ空气为16.7％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为548.3mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为564.8mpa，延伸率δ3.5％nacl为12.4％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.06998。
对比例4
对比例4与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，进行回归处理的条件为：t6态合金在170℃下回归25min。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为569.5mpa，抗拉强度σb(空气)为583.6mpa，延伸率δ空气为11.7％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为530.9mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为546.2mpa，延伸率δ3.5％nacl为6.7％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.06408。
对比例5
对比例5与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，进行分级时效处理的条件为：92℃/10h+150℃/10h。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为629.8mpa，抗拉强度σb(空气)为654.8mpa，延伸率δ空气为16.4％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为587.5mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为603.6mpa，延伸率δ3.5％nacl为11.8％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.07819。
对比例6
对比例6与实施例3的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，进行分级时效处理的条件为：120℃/8h+200℃/8h。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为604.3mpa，抗拉强度σb(空气)为617.2mpa，延伸率δ空气为10.8％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为567.2mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为573.7mpa，延伸率δ3.5％nacl为5.8％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.07048。
对比例7
对比例7中涉及的材料在经过峰值时效达到t6态后，进行回归再时效(rra)，即在实施例2的基础上，用再时效替代分级时效。具体实施过程是先在200℃下进行10min回归处理，热水淬火，冷却至室温后在125℃的油浴炉中进行24h再时效处理。对比例7设计的合金成分和其他制备过程的实验参数与实施例2一致。
本对比例铝合金在ssrt中的力学性能表现为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为576.3mpa，抗拉强度σb(空气)为612.6mpa，延伸率δ空气为17.2％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为509.6mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为554.7mpa，延伸率δ3.5％nacl为10.3％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.09452。
对比例8
对比例3中涉及的材料在经过峰值时效达到t6态后，先进行回归和再时效(rra)，再进行分级时效，即在实施例3的基础上，在回归处理和分级时效处理之间增加再时效过程。其中，再时效过程是在125℃的油浴炉中时效24h。对比例3设计的合金成分和其他制备过程的实验参数与实施例3一致。
本对比例铝合金在ssrt中的力学性能表现为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为609.4mpa，抗拉强度σb(空气)为632.8mpa，延伸率δ空气为15.4％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为552.4mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为589.3mpa，延伸率δ3.5％nacl为7.3％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.06874％。
对比例9
对比例9与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中，采用的耐应力腐蚀的7系铝合金材料的各成分的质量百分比分别为：zn7.5％，cu2.0％，mg1.3％，ti0.09％，cr0.30％，mn0.15％，fe0.07％，其余为al，其中zn/mg＝5.77。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为643.2mpa，抗拉强度σb(空气)为672.9mpa，延伸率δ空气为14.3％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为587.6mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为609.3mpa，延伸率δ3.5％nacl为9.6％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.09452。
对比例10
对比例10与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中，采用的耐应力腐蚀的7系铝合金材料的各成分的质量百分比分别为：zn6.0％，cu2.5％，mg1.8％，ti0.04％，cr0.23％，mn0.20％，fe0.10％，其余为al，其中zn/mg＝3.33。
该耐应力腐蚀铝合金在慢应变速率拉伸试验(ssrt)中的力学性能为：在空气中屈服强度σ0.2(空气)为573.4mpa，抗拉强度σb(空气)为607.4mpa，延伸率δ空气为14.3％；在3.5％nacl溶液中的屈服强度σ0.2(3.5％nacl)为529.7mpa，抗拉强度σb(3.5％nacl)为572.4mpa，延伸率δ3.5％nacl为8.9％，合金在35℃腐蚀环境中应力腐蚀敏感性指数issrt＝0.05762。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。