铝合金固溶热处理工艺

创业 2024-12-17 10:25 重庆

1、 铝合金固溶热处理原理

铝合金经过冷热加工后，往往需要热处理来调控其组织结构，而固溶热处理是铝合金重要的热处理方式。对第二相在基体相中的固溶度随温度降低而显著减小的合金，将其加热至一定温度并保温一段时间，使第二相最大限度溶于固溶体，随后以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却（淬火），便可获得高浓度的过饱和固溶体。过饱和固溶体能够为后续时效析出提供有利的组织条件，也在一定程度上提升了合金的强度和韧性。

图1 具有溶解度变化的铝合金二元相图

固溶热处理包括：加热-保温、冷却两个过程。图1为典型的铝合金二元相图，成分为C0的合金，在室温时平衡组织为α+β，α为基体固溶体，β为第二相；当合金温度加热至Tq并保温一段时间后，β相将溶入基体并得到单相的α固溶体，这个加热-保温的过程常被称为固溶化。若此时将溶有β相的单相α固溶体从Tq温度快速冷却（淬火），β相便来不及从α固溶体中析出，即可获得室温组织为C0成分的α单相过饱和固溶体。

固溶处理后的组织不一定只为单相的过饱和固溶体。如图1中成分为C1的合金，在低于共晶温度下的任何温度都含有β相。加热至Tq，合金的组织为m点成分的过饱和α固溶体加β相。若从温度Tq开始淬火，α固溶体中过剩的β相来不及沉淀，合金冷却至室温时的组织仍与高温时相同，只是α固溶体成为过饱和固溶体（成分仍为m）。

可见，除成分与相图上固溶度曲线相交的合金能固溶处理外，凡在不同温度下平衡相成分不同的合金原则上均可运用固溶处理工艺。

2、铝合金固溶处理后组织的变化

铝合金在冷热变形后的主要组织特征：一是形成纤维带组织；二是形成亚结构组织；三是由于热加工时的回复产生亚晶组织。这些组织经过固溶处理后主要会发生强化相固溶和再结晶。此外，还会发生过饱和固溶体分解、聚集、球化及晶粒长大等变化。

以7050铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）轧制材料固溶处理为例。Al-Zn-Mg-Cu合金在轧制过程中，当变形力很大时，晶粒会沿着轧制方向分布并形成纤维状组织，合金具有明显的方向性，均匀化后晶界处仍然存在大量未溶解的第二相，在轧制过程中，这些第二相被压成薄片，出现分层现象，分层使合金沿厚度方向受拉的性能大大恶化。因此，轧制态Al-Zn-Mg-Cu合金必须进行固溶热处理来消除组织不均匀性，促进第二相溶入基体中。

图2 7050铝合金轧制材料在不同固溶时间+T6时效处理后再结晶晶粒分布图及晶粒再结晶程度统计图（a）（b）470℃/15min固溶+T6；（c）（d）470℃/1h固溶+T6；（e）（f）470℃/2h固溶+T6

图2为不同固溶时间+T6时效处理后7050铝合金轧制材料的再结晶晶粒分布图及晶粒再结晶程度统计结果。晶粒再结晶分布图中红、黄、蓝色分别代表已变形晶粒、亚结构和再结晶晶粒。可以看出随着固溶时间增加，T6时效处理后的合金晶粒不断由长条状向等轴晶状态转化，晶粒再结晶程度不断增大，并且分布越来越均匀。增加固溶时间至2小时，晶粒再结晶百分比达到93.72%（时效温度低于再结晶温度，时效过程中晶粒不发生再结晶），晶粒以等轴晶状均匀分布。

图3 7050铝合金轧制材料不同热处理+T6时效处理后的X射线衍射图谱

图3中射线强度较大的3个主峰为Al基体的衍射峰。主要第二相有AlMgCu、Al23CuFe4，AlMgCu为晶界处共晶组织，Al23CuFe4为晶界粗大第二相。从图3中可以看出随着固溶时间的增加，T6时效态7050铝合金轧制材料的粗大第二相逐渐减少，说明第二相不断溶进基体中，为时效第二相析出做准备。

因此，固溶过程中轧制态Al-Zn-Mg-Cu合金可通过再结晶消除材料的各向异性，通过晶界处第二相溶解来降低晶界处粗大第二相带来的不利影响，并且可通过增加固溶时间来获得固溶度更大的固溶体，为后续时效强化做准备。

3、铝合金固溶处理后力学性能的变化

固溶处理后性能的改变与相成分、合金原始状态及淬火状态组织特征、淬火条件、预先热处理等一系列因素有关。以7050铝合金轧制材料来说明固溶处理对其力学性能的影响，如图4所示。

图4 不同固溶处理制度下7050轧制材料应力应变曲线

轧制态7050铝合金的强度和韧性都较差（韧性由应力-应变曲线下面积判断），但经过固溶+T6时效态处理后，轧制态7050铝合金的强度和韧性都获得显著提升。当在475℃固溶15min，T6时效处理后的抗拉强度迅速从285.8MPa增加为559.54MPa，相比轧制态，其强度提高95.8%；固溶时间为30 min时，T6时效后的抗拉强度达到最大值591.9MPa；固溶时间超过30min后，T6时效处理后的抗拉强度略微降低，说明7050铝合金轧制材料发生了过时效。

4、铝合金固溶热处理关键工艺参数

在固溶热处理过程中，影响工件换热条件的因素都会对固溶热处理的效果造成影响，相关的影响因素如图5所示，确定铝合金固溶热处理的工艺参数需综合考虑工件本身和热处理目标。

图5 铝合金固溶淬火工艺影响因素中南大学轻合金研究院

参考文献：

[1]李念奎. 铝合金材料及其热处理技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2012: 353-385.

[2]李芳. 固溶处理对7050铝合金微观组织及性能的影响[D].重庆大学,2022.

[3]康雷. 7X50型铝合金淬火过程析出行为、温度场及应力场研究[D].东北大学,2022.

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