一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属合金技术领域,是一种提高Al-Zn-Mg-Cu系招合金高强高韧低应力腐蚀的热处理方法。
【背景技术】
[0002]7000 (即Al-Zn-Mg-Cu)系铝合金，该类合金具有比重小、强度高、加工性能及焊接性能优良，较高的韧性和较好的耐腐蚀性等优点，能被广泛应用于航空航天工业和民用交通工具、核工业等。尤其在航空航天工业占有很重要地位，是目前宇航工业的主要材料之一。随着航空航天工业对铝合金需求的持续增长，发展合金热处理工艺以优化7XXX系列合金强度和抗应力腐蚀性能(SCR)受到普遍关注，其中应力腐蚀开裂(SCC)问题尤其突出。7xxx系铝合金的应力腐蚀机理复杂，影响因素很多，迄今为止尚无统一的理论，因此在研究提高抗SCC性能时往往都以牺牲强度为代价。国外7000系铝合金的研究较成熟，但目前相应的科学问题和热处理制度尚未公布，在我国上世纪80年代以来多位研究人员在研究Al-Zn-Mg-Cu系铝合金超长时间时效时，发现了两个时效峰的存在。一般采用低温超长单级双峰时效工艺，但是费时间长并不适用于现代工业生产，能不能探索更合理的时效工艺，比如双级时效，RRA时效，在保证强韧性和抗SCC性能的基础上，缩短时效工艺。从合金成分角度看，提高7000系铝合金熔体的纯度及减少杂质相提高其断裂韧性是一有效途径，减少主要主元的过剩相质点来提高断裂韧性。另一方面，在允许的范围内，尽可能提高固溶温度(但要避免晶粒过分粗大)，延长固溶保温时间，以使得强化相最大限度地溶于基体中；淬火速度要快，一般控制在5S以内，避免在晶界处析出第二相，在随后的时效过程中严格控制时效温度和时效时间，以免析出的沉淀相过分的粗大。有利于铸件细化晶粒，多手段提高7000铝合金的断裂韧性。本发明铝合金热处理时效工艺的研究，探索时效状态下的双级双峰现象，并提供可行的时效处理制度。
【发明内容】
[0003]本发明针对当前Al-Zn-Mg-Cu系铝合金热处理方法的不足，实现在保证强韧性和抗SCC性能的基础上，缩短时效工艺，降低能耗。
[0004]本发明所公开的技术方案是:一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，包括固溶处理和时效处理，所述的固溶处理过程中施加超声激振，所述的时效处理时间满足:70h〈时效处理时间〈140h。Mg在晶界上有偏析，且对应力腐蚀开裂起着不可忽视的作用，同时沉淀相过分的粗大会降低材料的韧性。提高固溶温度可以使相变驱动力增加，减小第二相的临界晶核尺寸，使形核率提高，从而使析出物的数量增加，尺寸减小，提高合金的硬度和强度。同时高频高能超声也近一步打碎晶置和干扰了晶粒粗大化。优化的固溶处理为后续的时效处理作好准备，在超长时间的时效过程中，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金时出现时效第二峰，该位置的SCC敏感性比第一峰低得多。可以不损失强度的前提下提高SCR性能。在这里，我们把这种超长时间且强度、硬度等性能出现“双峰”的时效工艺称为“双峰”时效工艺。
[0005]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，固溶处理的温度为723K-758K，60分钟〈固溶处理时间〈90分钟。一般而言，如果是固定单一固溶温度的单级固溶，那么硬度是随着固溶温度增加是先增加后减少，在743Κ和748Κ之间出现最大值。随着固溶时间增加是先增加后略下降，在70min出现最大值。这主要是随着温度的升高难容相逐渐溶解，从而使第二相能全部或最大限度地溶入固溶体促使硬度升高，当达到一定程度后就出现过烧等现象，所以硬度有所下降。因此，控制固溶处理参数很重要。
[0006]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，其特征在于所述的固溶处理温度控制方式为:在固溶处理时间内逐步地从723 K上升到758K。在常规固溶处理的基础上，逐步升温固溶(即强化固溶)，甚至超过多相共晶温度(475°C)。使最终Al-Zn-Mg-Cu系合金的断裂强度和屈服强度得到提高，同时保持延伸率基本不变。强化固溶提高了固溶度，是改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金力学性能的有效途径之一。
[0007]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，所述的固溶处理过程中，超声激振作用于固溶处理时间内，但不少于30分钟，终了时的固溶温度为达到最高值，超声波换能器频率22.3Khz，输出功率1.2KW。超声激振是利用合金基体内各原子在高温下(固溶温度高)，内能增强，足够功率和频率才能起到细晶、抗偏析的作用。
[0008]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，所述的时效处理的温度388K-438K。不同的时效工艺是不同温度下保温时间长短也不同，但都是为获得理想的基体沉淀相(Matrix Precipitates, MPt)、晶界沉淀相(Grain Boundary Precipitates, GBP)和晶界无析出带(Precipitat1n Free Zoness, PFZ)的最佳显微组合而研制的时效工艺。时效温度高，时效峰值出现时间缩短，但是峰高有所下降。因此，选择合适的温度很重要。
[0009]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，时效处理为两级时效，即在388K-393K的温度持续7_9h，然后升温到423K-438K保温61_133h。两级时效克服了单级时效，出现第二峰迟延的问题，可有效缩短时效时间。具体时间视相应合金牌号有不同。
[0010]作为优选，一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，所述的固溶完成后的固溶转移时间为3-5秒，即铸件从出炉到进入淬火槽液的转移过程中，使用预热到523K保温罩进行保护。固溶处理完成后，淬火速度要快，一般控制在5S以内，避免在晶界处析出第二相，有利于提高7000铝合金的断裂韧性。采用预热的保温罩，保证淬火初始温度尽可能的高，提高淬火速度。
[0011]本发明是在大量试验基础上，利用BP人工神经网络梯度下降算法对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金热处理工艺优化研究，所得到的热处理方法，能有效的缩短双峰时效的时间，确保得到第二峰值的该系铝合金高强、高韧以及高的抗SCC性能，而且工艺参数容易控制。
【附图说明】
[0012]图1、本发明实施例7003铝合金硬度与固溶温度之间关系图；
图2、本发明实施例7003铝合金硬度与固溶时间之间关系图；
图3、本发明实施例7003铝合金硬度与时效温度之间关系图；
图4、本发明实施例7003铝合金硬度与时效时间之间关系图；
图5、本发明实施例单级时效的不同材料力学性能对比表格；图6、本发明实施例二级时效的不同材料力学性能对比表格；
【具体实施方式】
[0013]下面结合【附图说明】Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的热处理方法，说明双峰时效的得到第二峰值的方法，及其力学性能。
[0014]实施例1:硬度是随着固溶温度(图1)增加是先增加后减少，在743K和748K之间出现最大值。随着固溶时间(图2)增加是先增加后略下降，在70min出现最大值。这主要是随着温度的升高难容相逐渐溶解，从而使第二相能全部或最大限度地溶入固溶体促使硬度升高，当达到一定程度后就出现过烧等现象，所以硬度有所下降。另外硬度随着时效温度(图3)先增加后减少，在393K左右出现最大值，随着时效时间(图4)硬度值出现“双峰”，第一峰在50h，第二峰在110h，且第一峰略低于第二峰。7003铝合金的时效过程为:α (过饱和固