CN116855857A - 7xxx系铝合金及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种7xxx系铝合金及其热处理方法。热处理方法包括：将7xxx系铝合金的冷拉拔态材料在300～470℃保温1～10h，得到第一热处理材料以方式一或方式二进行第二热处理，方式一包括将第一热处理材料冷却至150～250℃，保温2～10h；方式二包括将第一热处理材料冷却至25～30℃，再升温至150～250℃，保温2～10h；得到第二热处理材料后进行冷却等处理，得到7xxx系铝合金。本发明在7xxx系铝合金制备过程采用短时高温‑短时低温的两段中间退火热处理工艺，可以很好地调控晶内和晶界析出相形貌特征，达到减缓停放过程自然时效强度上升和提高材料抗晶间腐蚀性能的效果。

Description

7xxx系铝合金及其热处理方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种7xxx系铝合金及其热处理方法。

背景技术

航空飞行装备长期在沿海地区恶劣环境服役，对材料的强度和耐蚀性能都具有较高要求。现有航空飞行器装备用铝合金选材过程中，为了保证轻质高强，其结构材料通常选用7xxx系铝合金。

7xxx系铝合金型材、板材、线棒材等材料主要经过熔铸、均热、热轧、冷轧、中间退火、冷拉拔成型、固溶淬火、时效等工艺过程。在制备过程中，因7xxx系合金强度较高，每次冷拉拔前均需要进行中间退火以达到软化材料提高成型性能的目的。此外，因中间退火和冷拉拔及后续成型过程中存在较长的库存停放时间间隔，材料的各项性能稳定性尤为重要。在工业化材料制备过程中，经常存在材料经中间退火或冷拉拔后发生自然时效强度上升和晶间腐蚀问题，导致表面质量恶化，废品率提高，不能满足后续成型作业需求，大大降低材料生产效率，增加生产成本。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种7xxx系铝合金及其热处理方法，以解决现有技术中7xxx系铝合金长时间自然停放时强度稳定性和耐腐蚀性能不佳的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种7xxx系铝合金的热处理方法，包括以下步骤：步骤S1，将7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均匀化、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔态材料；步骤S2，将冷拉拔态材料进行第一热处理，第一热处理的保温温度为300～470℃，保温时间为1～10h，得到第一热处理材料；步骤S3，将第一热处理材料以方式一或方式二进行第二热处理，得到第二热处理材料；其中方式一包括：将第一热处理材料冷却至150～250℃，保温2～10h；方式二包括：将第一热处理材料先冷却至25～30℃，再升温至150～250℃，保温2～10h；步骤S4，将第二热处理材料进行冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到7xxx系铝合金。

进一步地，按重量百分比计，7xxx系铝合金包括Zn 5.80～7.10％，Cu 1.90～2.60％，Mg1.80～2.70％，Cr 0.05～0.18％，Zr 0.08～0.15％，Fe 0.01～0.15％，Mn 0～0.10％，Ti 0.05～0.20％，Si 0.01～0.15％，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05％，总杂质＜0.15％。

进一步地，步骤S2中，第一热处理的升温速率为30～150℃/h。

进一步地，步骤S2中，第一热处理的升温速率为105～150℃/h，保温温度为400～470℃，保温时间为1～2h。

进一步地，步骤S3中，方式一的冷却速率为30～200℃/h。

进一步地，步骤S3中，方式一的冷却速率为30～90℃/h，保温温度为200～250℃，保温时间为2～3h。

进一步地，步骤S3中，方式二的冷却速率为100～200℃/s，升温速率为30～150℃/h。

进一步地，步骤S4中，冷却方式为水冷、随炉冷却和空冷的一种或多种。

根据本发明的另一方面，提供了一种7xxx系铝合金，由本发明上述热处理方法得到。

进一步地，7xxx系铝合金停放270天的抗拉强度增加量≤5MPa，晶间腐蚀深度≤25μm。

应用本发明的技术方案，在7xxx系铝合金制备过程的冷拉拔道次之间，采用短时高温-短时低温的两段中间退火热处理工艺，可以很好地调控晶内和晶界析出相形貌特征，达到减缓停放过程自然时效强度上升和提高材料抗晶间腐蚀性能的效果。其中，第一热处理采用高温热处理，可以起到回复或再结晶效果，降低前期加工硬化强度，有利于后续再次成型；第二热处理采用低温保温处理，可以达到促进晶内和晶界第二相充分析出的目的，一方面晶内第二相充分析出从而充分消耗了铝合金中的溶质元素，在自然停放过程中无法再次析出GP区和强化相，从而可以降低材料的自然时效停放效应导致的抗拉强度上升；另一方面低温保温过程也可以促进晶界第二相的析出、长大并呈现断续形貌，阻碍晶间腐蚀沿晶界相的连续发生，从而可以显著提升材料的抗晶间腐蚀性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例3的铝合金晶内析出相形貌图；

图2示出了根据本发明对比例3的铝合金晶内析出相形貌图；

图3示出了根据本发明实施例3的铝合金晶间腐蚀形貌图；

图4示出了根据本发明对比例3的铝合金晶间腐蚀形貌图；以及

图5示出了根据本发明实施例3和对比例3的铝合金停放稳定性趋势图，其中3a为实施例3，3b为对比例3。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在7xxx系铝合金长时间自然停放时强度稳定性和耐腐蚀性能不佳的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种7xxx系铝合金的热处理方法，包括以下步骤：步骤S1，将7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均匀化、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔态材料；步骤S2，将冷拉拔态材料进行第一热处理，第一热处理的保温温度为300～470℃，保温时间为1～10h，得到第一热处理材料；步骤S3，将第一热处理材料以方式一或方式二进行第二热处理，得到第二热处理材料；方式一包括：将第一热处理材料冷却至150～250℃，保温2～10h；方式二包括：将第一热处理材料先冷却至25～30℃，再升温至150～250℃，保温2～10h；步骤S4，将第二热处理材料进行冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到7xxx系铝合金。

本发明先将7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均匀化、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔态材料；其后将冷拉拔态材料在300～470℃进行1～10h的短时高温第一热处理，得到第一热处理材料，高温热处理可以起到回复或再结晶效果，降低前期加工硬化强度，有利于后续再次成型；然后将第一热处理材料冷却至150～250℃，保温2～10h，或者将第一热处理材料先冷却至25～30℃，再升温至150～250℃，保温2～10h，以进行短时低温的第二热处理，低温保温处理可以达到促进晶内和晶界第二相充分析出的目的，一方面晶内第二相充分析出从而充分消耗了铝合金中的溶质元素(比如Mg、Zn等)，在后续的自然停放过程中，不会再次析出会促进材料强度上升的GP区，保证了强度的稳定，从而可以减缓材料的自然时效停放效应导致的抗拉强度上升。

另一方面低温保温过程也可以促进晶界第二相的析出和长大，表现为晶界相的不连续粗大析出，阻碍晶间腐蚀沿晶界相的连续发生，从而可以显著提升材料的抗晶间腐蚀性能；最后将第二热处理材料进行冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到7xxx系铝合金。其中熔铸、均匀化、热轧、冷轧、冷拉拔、固溶淬火、时效处理等使用本领域常规方法即可，配合本发明特定的热处理工艺均可以达到既定目的，其相应的工艺参数或者工艺顺序可以根据需要进行调整，本发明特定的热处理工艺在铝合金的制备过程中可以进行一次或多次，这是本领域技术人员容易理解的，在此不再赘述。

本发明充分考虑7xxx铝合金材料在冷拉拔后，耐腐蚀性能和强度稳定性对后续再次成型的影响，在7xxx系铝合金制备过程的冷拉拔与冷变形之间，通过优化调整中间退火热处理制度，采用短时高温-短时低温的两段中间退火热处理工艺，可以在软化材料的基础上，令第二相充分析出，很好地调控晶内和晶界析出相形貌特征，达到减缓停放过程自然时效强度上升和提高材料抗晶间腐蚀性能的效果。

7xxx系铝合金的具体成分使用本领域常规组成即可，出于进一步提高铝合金成分与制备工艺的适应性，从而进一步兼顾铝合金的停放强度稳定性和晶间腐蚀性能的目的，在一种优选的实施方式中，按重量百分比计，7xxx系铝合金包括Zn 5.80～7.10％，Cu 1.90～2.60％，Mg1.80～2.70％，Cr 0.05～0.18％，Zr 0.08～0.15％，Fe 0.01～0.15％，Mn 0～0.10％，Ti 0.05～0.20％，Si 0.01～0.15％，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05％，总杂质＜0.15％。

在一种优选的实施方式中，步骤S2中，第一热处理的升温速率为30～150℃/h，上述升温速率可以使得铝合金型材、板材、棒材、线材等大规格材料心部均匀达到设定温度，更适合工业化大型材料的应用。

为了进一步改善第一热处理的回复或再结晶效果，从而更好地降低铝合金前期加工硬化强度，在一种优选的实施方式中，步骤S2中，第一热处理的升温速率为105～150℃/h，保温温度为400～470℃，保温时间为1～2h。

在一种优选的实施方式中，步骤S3中，方式一的冷却速率为30～200℃/h，冷却方法优选为随炉冷却或空冷，上述冷却速率可以使得材料整体实现更均匀地冷却。

出于更好地促进铝合金晶内和晶界第二相充分析出，从而进一步改善铝合金的强度稳定性和晶间腐蚀性能的目的，在一种优选的实施方式中，步骤S3中，方式一的冷却速率为30～90℃/h，保温温度为200～250℃，保温时间为2～3h。

基于相似的理由，在一种优选的实施方式中，步骤S3中，方式二的冷却速率为100～200℃/s，冷却方法优选为水冷，升温速率为30～150℃/h。

在一种优选的实施方式中，步骤S4中，冷却方式为水冷、随炉冷却和空冷的一种或多种，操作简便，冷却效果更佳。

在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种7xxx系铝合金，由本发明上述热处理方法制备得到，可以兼顾强度稳定性和耐腐蚀性能。

具体地，在一种优选的实施方式中，7xxx系铝合金停放270天的抗拉强度增加量≤5MPa，晶间腐蚀深度≤25μm。

典型的但非限定性的，本发明的第一热处理中，升温速率为30℃/h、40℃/h、50℃/h、60℃/h、70℃/h、80℃/h、90℃/h、100℃/h、105℃/h、110℃/h、120℃/h、130℃/h、140℃/h、150℃/h或其任意两个数值组成的范围值；保温温度为300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃或其任意两个数值组成的范围值；保温时间为1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，本发明的第二热处理中，方式一的冷却速率为30℃/h、40℃/h、50℃/h、60℃/h、70℃/h、80℃/h、90℃/h、100℃/h、110℃/h、120℃/h、130℃/h、140℃/h、150℃/h、160℃/h、170℃/h、180℃/h、190℃/h、200℃/h或其任意两个数值组成的范围值；保温温度为150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃或其任意两个数值组成的范围值；保温时间为1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，本发明的第二热处理中，方式二的冷却速率为100℃/s、110℃/s、120℃/s、130℃/s、140℃/s、150℃/s、160℃/s、170℃/s、180℃/s、190℃/s、200℃/s或其任意两个数值组成的范围值；先冷却至25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，本发明的第二热处理中，方式二的升温速率为30℃/h、40℃/h、50℃/h、60℃/h、70℃/h、80℃/h、90℃/h、100℃/h、110℃/h、120℃/h、130℃/h、140℃/h、150℃/h或其任意两个数值组成的范围值；升温至150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃或其任意两个数值组成的范围值；保温时间为1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，按重量百分比计，本发明的7xxx系铝合金包括Zn为5.80％、5.90％、6.00％、6.10％、6.20％、6.30％、6.40％、6.50％、6.60％、6.70％、6.80％、6.90％、7.00％、7.10％或其任意两个数值组成的范围值；Cu为1.90％、2.00％、2.10％、2.20％、2.30％、2.40％、2.50％、2.60％或其任意两个数值组成的范围值；Mg为1.80％、1.90％、2.00％、2.10％、2.20％、2.30％、2.40％、2.50％、2.60％、2.70％或其任意两个数值组成的范围值；Cr为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％或其任意两个数值组成的范围值；Zr为0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％或其任意两个数值组成的范围值；Fe为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％或其任意两个数值组成的范围值；Mn为0.00％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％或其任意两个数值组成的范围值；Ti为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.20％或其任意两个数值组成的范围值；Si为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％或其任意两个数值组成的范围值；余量为Al及不可避免的杂质。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

7xxx铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.01％，Fe 0.03％，Cu 2.10％，Mg1.80％，Mn 0.10％，Cr 0.05％，Zn 5.80％，Ti 0.05％，Zr 0.10％，其余为Al及不可避免的杂质。热处理方法如下：

步骤S1，将上述7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均热、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔材料；

步骤S2，将冷拉拔材料以30℃/h速度升温至300℃，保温10h，得到第一热处理材料；

步骤S3，第二热处理方式一：将第一热处理材料以30℃/h空冷至200℃，保温3h，得到第二热处理材料；

步骤S4，将第二热处理材料随炉冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到7xxx系铝合金。

实施例2至4

实施例2至4与实施例1的区别在于，铝合金成分和热处理的工艺参数不同，详见表1至表2。

实施例5至6

实施例5至6与实施例1的区别在于，热处理的工艺参数不同，详见表2。

实施例7

7xxx铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.01％，Fe 0.03％，Cu 2.50％，Mg2.10％，Cr 0.15％，Zn 6.20％，Ti 0.10％，Zr 0.15％，其余为Al及不可避免的杂质。热处理方法如下：

步骤S1，将上述7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均热、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔态材料；

步骤S2，将热轧材料以105℃/h速度升温至410℃，保温2h，得到第一热处理材料；

步骤S3，第二热处理方式二：将第一热处理材料以100℃/s水冷至25℃，再以30℃/h升温至150℃，保温10h，得到第二热处理材料；

步骤S4，将第二热处理材料随炉冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到7xxx系铝合金。

实施例8

实施例8与实施例7的区别在于，铝合金成分和热处理的工艺参数不同，详见表1至表2。

实施例9至10

实施例9至10与实施例7的区别在于，热处理的工艺参数不同，详见表2。

对比例1

对比例1与实施例2的区别在于，步骤S2中以110℃/h速度升温至350℃，保温5h；步骤S3中以60℃/h冷却至25℃。

对比例2

对比例2与实施例3的区别在于，步骤S2中以75℃/h速度升温至400℃，保温3h；步骤S3中以30℃/h冷却至28℃。

对比例3

对比例3与实施例3的区别在于，步骤S2中以110℃/h速度升温至430℃，保温1h；步骤S3中以100℃/h冷却至30℃。

对比例4

对比例4与实施例3的区别在于，未进行第二热处理。

上述实施例的铝合金成分见表1，上述实施例和对比例的热处理工艺参数见表2。

表1

表2

测定上述实施例和对比例制备得到的铝合金材料的0天抗拉强度、停放270天后抗拉强度和晶间腐蚀深度，结果见表3。

实施例3的铝合金晶内析出相形貌图见图1，对比例3的铝合金晶内析出相形貌图见图2，可见与对比例3相比，实施例3晶内析出明显增加。

实施例3的铝合金晶间腐蚀形貌图见图3，对比例3的铝合金晶间腐蚀形貌图见图4，可见对比例3晶界部分腐蚀明显，实施例3腐蚀较少，抗晶间腐蚀性能显著增加。

实施例3和对比例3的铝合金停放稳定性趋势图见图5，其中3a为实施例3，3b为对比例3，可见对比例3停放270天后抗拉强度显著增加33MPa，而本发明实施例3停放270天后抗拉强度仅增加3MPa，具有显著改善的停放稳定性。

测试方法：

抗拉强度：GB/T 228.1-2021。

晶间腐蚀深度：GB/T 7998-2005。

表3

由上可知，各对比例停放270天的抗拉强度增加量≥33MPa，晶间腐蚀深度≥65μm；本发明各实施例停放270天的抗拉强度增加量≤16MPa，晶间腐蚀深度≤59μm。可见，与对比例相比，本发明各实施例采用短时高温-短时低温的两段中间退火热处理工艺，可以很好地调控晶内和晶界析出相形貌特征，达到减缓停放过程自然时效强度上升和提高材料抗晶间腐蚀性能的效果。此外，可以看出，当各制备工艺参数均在本发明优选范围之内时，7xxx系铝合金的停放强度稳定性和抗晶间腐蚀性能更佳。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种7xxx系铝合金的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将所述7xxx系铝合金的原料进行熔铸、均匀化、热轧、冷轧、冷拉拔，得到冷拉拔态材料；

步骤S2，将所述冷拉拔态材料进行第一热处理，所述第一热处理的保温温度为300～470℃，保温时间为1～10h，得到第一热处理材料；

步骤S3，将所述第一热处理材料以方式一或方式二进行第二热处理，得到第二热处理材料；其中所述方式一包括：将所述第一热处理材料冷却至150～250℃，保温2～10h；所述方式二包括：将所述第一热处理材料先冷却至25～30℃，再升温至150～250℃，保温2～10h；

步骤S4，将所述第二热处理材料进行冷却，然后进行冷变形、固溶淬火、时效处理，得到所述7xxx系铝合金。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，按重量百分比计，所述7xxx系铝合金包括Zn 5.80～7.10％，Cu 1.90～2.60％，Mg 1.80～2.70％，Cr 0.05～0.18％，Zr 0.08～0.15％，Fe 0.01～0.15％，Mn 0～0.10％，Ti 0.05～0.20％，Si 0.01～0.15％，余量为Al及不可避免的杂质，每种所述不可避免的杂质＜0.05％，总杂质＜0.15％。

3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一热处理的升温速率为30～150℃/h。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一热处理的升温速率为105～150℃/h，保温温度为400～470℃，保温时间为1～2h。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述方式一的冷却速率为30～200℃/h。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述方式一的冷却速率为30～90℃/h，保温温度为200～250℃，保温时间为2～3h。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述方式二的冷却速率为100～200℃/s，升温速率为30～150℃/h。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，冷却方式为水冷、随炉冷却和空冷的一种或多种。

9.一种7xxx系铝合金，其特征在于，由权利要求1至8中任一项所述的热处理方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的7xxx系铝合金，其特征在于，所述7xxx系铝合金停放270天的抗拉强度增加量≤5MPa，晶间腐蚀深度≤25μm。