专利名称：一种高锌高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属合金技术领域，是一种提高特定高锌高强铝合金综合性的精确热处理工艺。
背景技术：
Al-Si-Mg-Cu合金属于超高强铝合金，是可热处理强化合金，具有较高的比强度， 广泛应用于航空航天领域，但是由于峰值时效状态下，抗应力腐蚀能力和断裂韧性都比较差，限制了其广泛应用。因此，优化合金成分和热处理工艺获得综合性能良好的合金一直是广大材料研究工作的共同追求的目标。Al-Si-Mg-Cu合金时效工艺目前主要采用以下几种方法单级时效，双级过时效和回归再时效。1)单级时效是峰值时效，其沉淀序列处于GP区向η ‘相的过渡阶段，晶内主要分布着细微的GP区和少量的半共格的η'相，随时效时间的延长析出物逐渐长大且体积分数增加；同时晶界上析出连续的n相，晶界无沉淀析出带(PFZ)不明显。完全时效后合金强度虽可达峰值(Τ6)，但抗引力腐蚀能力和韧性都比较差。2)双级过时效是以提高抗引力腐蚀能力为主的时效，双级过时效的第一级时效为低温预时效，相当于时效成核阶段，晶内形成大量的GP区和极少的η'相，第二级时效是高温长时时效，那些能在高温时效温度下稳定存在的GP区优先成核转化为η'相且逐渐长大，原有的η'相也逐渐长大同时部分η'相向η相转变。在晶内主要形成均勻分布的η'相和η相，随时效时间的延长晶内析出相粗化、质点间距增大，在大角度晶界上是较稳定的Π相，晶界析出相不连续分布，改善了合金的抗应力腐蚀能力和韧性，但要牺牲材料的一定强度。3)回归再时效工艺(RRA)，包括三个阶段第一级为单级峰值时效，使合金达到Τ6 状态；第二级时效为高温回归处理，使合金晶内强化相溶解，晶界沉淀相析出；第三级再进行一次Τ6处理。1989年美国Alcoa公司以T77为名注册了第一个可工业应用的RRA处理工艺规范。通常来说完成三级时效后，由于时效时间过长，需要进行两次T6处理，能耗较高，不利于工业应用。
发明内容
本发明针对当前高锌超高强Al-Si-Mg-Cu合金强度高，韧性较差这一缺点，通过使用一种新型热处理工艺，使合金在强度保持不变或稍有下降的情况下，实现韧性的提高， 同时减少了热处理时间，降低能耗。本发明的技术方案是先进行双级时效，保证经固溶淬火后的过饱和溶质原子能够以GP区和η'相(MgZn2)的形式存在，使合金达到较高的时效强度，而后再进行高温短时时效，使晶内已析出的较大的GP区全部转化为η'相(MgZn2)，晶界沉淀相η (MgZn2)发生球化，呈断续分布，从而实现提高合金韧性的目的。通过以上时效处理可使合金在强度保持不变或稍有下降的情况下，实现韧性的显著提高，扩大了合金的应用范围，有效缩短热处理时间，降低能耗。本发明的工艺路线1)双级时效，经固溶淬火后，在130°C 140°C加热2小时 6小时随后在115°C 125°C加热6小时 10小时。第一级在130°C 140°C加热2小时 6小时时效可以使经固溶淬火后的过饱和溶质原子以GP区的形式较快的均勻形核和长大同时会析出少量的η ‘ 相(MgZn2)，随后在115°C 125°C加热6小时 10小时，GP区逐渐向n ‘相(MgZn2)转化同时原有的Π'相(MgZn2)长大，使合金的强度接近或略低于峰值时效强度。2)高温短时时效，将经过双级时效处理的合金在在170°C 200°C加热5分钟 60分钟，使合金晶内已析出的GP区全部转化为η ‘相(MgZn2)，晶界平衡析出相η (MgZn2) 发生球化由连续分布变成断续分布，从而实现提高合金韧性的目的。上述步骤(1)中固溶淬火指的是合金经470°C保温3小时固溶淬火。本发明所适用的合金成分为Zn :10. 0% 11. 5wt % ；Mg :1. 6% 2. Owt % ； Cu 1. 4% 2. Owt% ；Zr 0. 08% 0. 15wt% ；Er :0. 06 0. 15wt%，余量为 Al 以及其他一些不可避免杂质。本发明的优点和积极效果1)通过本发明处理后的合金晶内析出细小弥散的η ‘相，晶界析出相断续分布；2)操作简单，大大缩短了时效时间，降低热处理能耗，有利于工业生产中节能减排；3)使合金在保持高强度的同时，提高合金的韧性。
图1合金在90°C 165°C，时间为0. 5小时 72 /J图2是合金经135°C加热4小时+120°C加热8小时 5分钟 240分钟(高温短时时效)的时效硬化曲线；图3是合金经135°C加热4小时+120°C加热8小时 5分钟 240分钟(高温短时时效)的时效硬化曲线；图4是合金经135°C加热4小时+120°C加热8小时 5分钟 240分钟(高温短时时效)的时效硬化曲线；图5是合金经135°C加热4小时+120°C加热8小时 5分钟 240分钟(高温短时时效)的时效硬化曲线；图6是合金经120°C加热M小时处理后的晶界沉淀相特征图；图7是合金经本发明时效工艺处理后的晶内析出相特征图；图8是合金经本发明时效工艺处理后的晶界沉淀相特征图具体实施方法合金化学成分为Al-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr-0. 06Er (质量百分数)的挤压态合金(挤压比为15. 4 1)将合金进行470°C 3小时固溶处理，水淬到室温，随后进行如下实施例的时效处理。对比例1
、时的硬度变化规律曲线； (双级时效)后，在170°C加热
(双级时效)后，在180°C加热
(双级时效)后，在190°C加热
(双级时效)后，在200°C加热
1)将合金进行单级时效处理，单级时效温度为90°C 165°C，时间为0. 5小时 72小时，取不同热处理状态的样品测试硬度，绘制出硬度曲线(见图1)。由图1可以看出， 合金具有非常明显的时效硬化特性，时效初期，硬度上升非常明显。曲线硬度变化趋势基本相同，都经历了一个先上升到峰值随后缓慢下降的过程。合金在120°C时效M小时硬度达到峰值。2)选取单级时效峰值点(120°C时效M小时)附近状态样品进行力学性能测试结果见表1。合金强度的变化和硬度曲线基本一致。合金在120°CM小时取得了峰值强度， 此时合金的断裂韧性为31. 4MPa"2。表1合金在120°C单级时效处理后的力学性能
时效状态σb/MPaσ02/MPas5/%120°C /16h73870010. 3120°C /20h73570011120°C /24h7637339. 3120°C /28h73570510. 3对比例21)将合金进行双级时效处理第一级时效处理为135°C 2小时 6小时，第二级时效处理为120°C8小时。选取不同热处理状态样品进行硬度测试，结果见表2。可见，最优的第一级时效处理为135°C 4小时。表2合金经135°C 2小时 6小时+120°C 8小时时效处理后的硬度
时效状态硬度/HV135°C /2h+120°C /8h201. 1135°C /4h+120°C /8h206. 7135°C /6h+120°C /8h202. 32)将合金进行双级时效处理第一级时效处理为135°C 4小时，第二级时效处理为120°C6小时 10小时。选取不同热处理状态样品进行硬度测试，结果见表3。可见，最优的第二级时效处理为120°C 8小时。所以最优化的双级工艺为135°C加热4小时+120°C 加热8小时，此时合金的抗拉强度为749MPa、屈服强度716Mpa、延伸率为10. 1%、断裂韧性 30. 3MlV/2。表3合金经135°C 4小时+120°C 6小时 10小时时效处理后的硬度
时效状态硬度/HV
权利要求
1.一种高锌高强Al-Si-Mg-Cu铝合金热处理工艺，铝合金成分为ai :10. Owt % 11. 5wt%,Mg :1. 6wt% 2. 0wt%, Cu :1. 4wt% 2. 0wt%,Zr :0. 08wt% 0. 15wt%,Er 0. 06Wt% 0. 15wt%，余量为Al以及其他一些不可避免杂质，其特征在于，包括以下步骤1)双级时效，经固溶淬火后，在130°C 140°C加热2小时 6小时随后在115°C 125°C加热6小时 10小时；2)高温短时时效，将经过双级时效处理的合金在在170°C 200°C加热5分钟 60分钟。
2.按照其权利要求1的工艺，其特征在于，双级时效为在135°C加热4小时然后120°C 加热8小时，高温短时时效为在190°C加热15分钟。
3.按照其权利要求1的工艺，其特征在于，步骤(1)中固溶淬火指的是合金经470°C保温3小时固溶淬火。
全文摘要
一种高锌高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金热处理工艺，属于金属合金技术领域。成分为Zn10.0wt％～11.5wt％、Mg1.6wt％～2.0wt％、Cu1.4wt％～2.0wt％、Zr0.08wt％～0.15wt％、Er0.06wt％～0.15wt％，余量为Al以及不可避免杂质的铝合金经固溶淬火后，在130℃～140℃加热2～6小时随后在115℃～125℃加热6～10小时；高温短时时效，将经过双级时效处理的合金在在170℃～200℃加热5～60分钟。本发明使合金在强度保持不变或稍有下降的情况下，实现韧性的提高，同时减少了热处理时间，降低能耗。
文档编号C22F1/053GK102534324SQ20121004878
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者冉凡青, 张瑞岩, 聂祚仁, 陈子勇 申请人:北京工业大学