航空航天铝合金的热处理工艺是通过精确控制温度、时间和冷却速度等因素，使材料达到最佳的机械性能和物理性能。以下是高端航空航天铝合金的典型热处理流程及其详细的工艺步骤：
固溶处理是为了将铝合金中的强化相（如Mg2Si、Al2Cu等）溶解在基体中，形成均匀的单相固溶体，消除组织中的偏析，提高材料的塑性和韧性。该过程还可以为后续的时效处理提供充分的强化元素。
工艺流程：
- 温度控制：固溶处理的温度必须精确控制，通常在500℃-550℃之间，根据铝合金的牌号不同有所变化。例如，7XXX系列高强度铝合金的固溶温度可能接近550℃，而2XXX系列铝合金的固溶温度一般在495℃-510℃之间。
- 加热时间：固溶处理的时间取决于工件的尺寸和材料类型，通常为1-3小时。工件越厚，时间越长，目的是确保材料内部的强化相完全溶解。
- 加热速度：加热速度应控制得当，避免材料表面出现过热或内部温度梯度过大导致的应力集中。
- 炉内气氛：为了防止铝合金在高温下发生氧化，通常采用保护气体（如氮气、氢气或氩气）或真空炉进行固溶处理。
温度控制非常重要，需要定期检查炉子的温差，确保炉温均匀性。
- 过烧风险：如果固溶温度过高或加热时间过长，材料可能会发生过烧，导致晶界处元素熔化，严重影响材料性能。
- 温度均匀性：必须确保炉内温度均匀，尤其是大尺寸零件，否则不同区域的强化相可能无法完全溶解，导致局部性能不一致。
淬火的目的是在固溶处理后将材料快速冷却到室温，使强化相无法析出，形成过饱和的固溶体。这样能够最大限度地保留合金的强化效果，确保后续时效处理的效果。
- 冷却介质选择：铝合金淬火通常使用水、聚合物溶液或油作为冷却介质。水淬通常适用于高强度铝合金，因为它的冷却速率较快；而对于一些厚壁工件或对淬火裂纹敏感的零件，可能会使用油或聚合物溶液。
- 冷却速率控制：淬火的冷却速率对于铝合金至关重要，一般需要在几秒钟内完成冷却，特别是对于7XXX系列铝合金，冷却过慢会导致析出强化相，从而影响合金的强度和韧性。
- 变形控制：淬火时可能产生较大的内应力，导致工件变形，因此在设计零件时要考虑到淬火变形的影响，必要时可以进行冷校正处理。
- 淬火延迟时间：淬火延迟时间是指从固溶处理结束到工件进入冷却介质的时间，应尽可能短，通常控制在10秒以内，以防止材料表面或晶界处发生局部析出。
- 冷却介质的均匀性：工件淬火时应避免介质中气泡的产生或流动不均匀，气泡会导致局部冷却不充分，出现软点或硬度不均。
时效处理是通过控制温度和时间来促进过饱和固溶体中的合金元素缓慢析出，形成细小的沉淀相，从而大幅提高铝合金的强度。
自然时效（Natural Aging）
- 处理温度：室温（20℃-25℃）。
- 持续时间：几天到数周，具体取决于合金的类型和最终所需的性能。
- 典型应用：例如，2024-T4和6061-T4铝合金经过自然时效后可以获得较好的综合力学性能。
- 优点：不需要高温设备，成本较低。
人工时效（Artificial Aging）
- 处理温度：120℃-200℃，根据铝合金的成分不同选择合适的温度。例如，7XXX系列铝合金的时效温度通常在150℃-160℃左右。
- 持续时间：通常为2-24小时，时间的长短直接影响析出相的大小和分布，进而影响合金的强度和延展性。
- 工艺特点：人工时效可以精确控制合金的性能，通常用于航空航天结构件，以确保强度、硬度、韧性和抗疲劳性能的平衡。
- 双级时效（Double Aging）：为了进一步改善合金的力学性能，某些高强度铝合金会采用双级时效处理。先在较低温度下进行初步时效（例如120℃，2小时），然后再升高温度进行第二阶段时效（例如160℃，6小时）。双级时效可以使析出相更加细小且均匀，提升合金的抗疲劳性能。
- 过时效（Over Aging）：在高温下长时间时效，虽然会降低材料的强度，但能提高其抗蠕变性能。这对于需要在高温环境下长期使用的铝合金构件至关重要。
为了减少材料在使用过程中因内应力释放而引起的尺寸变形，部分航空航天铝合金会在时效处理后进行预应力处理。这可以通过冷拉伸或冷压缩的方式进行。
- 拉伸处理：在时效后对铝合金进行1%-3%的塑性拉伸，可以有效地释放材料中的残余应力，减少后续使用中的变形风险。
- 压缩处理：对于某些零件，也可以采用冷压缩的方法来消除内应力。
- 应力释放的控制：预应力处理时，必须控制拉伸或压缩的幅度，过大的变形可能导致材料的微观结构受到破坏，影响力学性能。
高温时效（Over-aging Treatment）
高温时效主要是为了提高材料的抗蠕变性能和高温稳定性。对于某些需要在高温环境下工作的航空航天零件，如发动机组件，可能会牺牲部分强度，采用高温时效处理以获得更好的蠕变性能。
- 温度控制：高温时效的温度通常在200℃以上，根据不同的合金类型，温度可能达到250℃-300℃。
- 时间：通常需要长时间（数小时甚至数天）进行，以确保合金元素在高温下的稳定性。
通过严格控制这些热处理工艺参数，可以有效提升航空航天铝合金的力学性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能，从而满足航空航天器对材料的严苛要求。
