淬火转移时间与淬火后停放时间对7475 铝合金性能和组织的影响

高宝亭

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

关键字：7475铝合金；淬火转移时间；淬火后停放时间；力学性能；显微组织

0 前言

7475 铝合金是一种典型的7×××系铝合金，因其强度高并且断裂韧度及抗应力腐蚀性能也非常优异，被广泛应用于制造航空飞行器的机身蒙皮、壁板、翼梁等结构件[1-2]。由于其在轻量化、抗腐蚀性能以及抗损伤容限方面的独特优势，除军用和民用航空铝材市场外，近年来，在轨道交通领域也受到极大关注，市场潜力巨大。

由于7475 合金主要应用于航空器和地面交通工具的受力结构件[3]，因此对材料的性能和组织指标以及稳定性要求非常高，进而对工业化生产过程控制要求也非常严格。为保证供应制品质量的稳定性，客户往往要求供应商须通过以NADCAP体系为代表的一系列资质认证。无论是从保证质量稳定性还是通过NADCAP体系认证角度考虑，每一项过程工艺参数都应有细致的规定，并且要求有理论研究作为支撑。目前，关于该合金的公开理论研究主要集中在热加工、淬火制度和时效制度方面，没有对淬火转移时间与淬火后停放时间对性能和组织影响方面的研究。为帮助制造商和客户更好地进行生产过程工艺控制和了解其对应的理论依据，本文对淬火转移时间与淬火后停放时间对7475 铝合金性能和组织的影响进行了研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验用料

本次试验选用规格为25 mm×100 mm 的7475铝合金热挤压带板，其化学成分满足GB/T3190—2008要求，具体详见表1。

表1 试验用料的化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方法

为方便研究，该材料的淬火制度设定为（470±3）℃，保温60 min；时效制度设定为（125±5）℃，保温16 h。为研究淬火转移时间对7475 铝合金组织和性能的影响规律，将转移时间分为5 s、15 s、30 s、60 s四组进行，相关试验料均淬火后停留3 h；试验装备为炉温均匀性满足±3 ℃的工业炉，环境温度为20～25℃，淬火水温为30～40 ℃。以转移时间60 s 为例，测得的实际最低料温为452 ℃。为研究淬火后停放时间对7475铝合金组织和性能的影响规律，选用转移时间为15 s的试验料，环境温度为20～25 ℃；淬火后的去应力拉伸矫直率0.8%～1.2%，拉伸矫直完成时间为淬火后2 h 内，将停放时间选择为3 h、6 h、48 h、168 h 四组进行研究。本文涉及的力学性能试验和显微组织试样分别按照GB/T 16865《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及试验方法》和GB/T 3246.1《变形铝及铝合金显微组织检测方法》的规定进行。

2 试验结果与分析

2.1 对性能的影响

按照既定试验方法，对相应的试验料进行了力学性能检测（每组检测均有3 个平行试样）。淬火转移时间对力学性能的影响如表2所示，淬火后停放时间对力学性能的影响如表3 所示。从表2 中可以看出，淬火转移时间从5 s 到30 s 的区间内，性能没有任何变化，而转移时间延长至60 s时，性能出现稍许下降。从表3中可以看出，停放时间对力学性能的影响甚微，几乎在试验误差允许的范围内波动。7475 合金这种性能变化可以给工程化生产带来很大的便利条件。

表2 淬火转移时间对7475铝合金力学性能的影响

表3 停放时间对7475铝合金力学性能的影响

2.2 对显微组织的影响

为了分析这种力学性能微小变化的原因，将7475 铝合金的淬火转移时间的对比试验试样与停放时间的对比试验试样进行了光学金相组织分析。同时为与原始状态对比，将热挤压状态的试样进行了金相组织分析。

从图1热挤压状态的金相组织可以看出，这是不完全再结晶的组织，基体上大量析出了Cr 相，隐现着一些亚晶结构。结合图2 和图3 分析可知，经过470 ℃/60 min 的淬火和125 ℃/16 h 的T6 状态处理，无论是停放还是转移不同时间的试样，其金相组织的特征几乎都是相同的，只能看到它们都是再结晶组织，其基体内析出了众多Cr相[4]，无法分辨出它们有什么组织上的不同。因此间接说明了为什么它们性能方面的差异非常小，以至于不同淬火转移时间和停放时间的试样，其性能和组织上都没有什么差异。

图1 7475合金热挤压状态光学显微金相组织

图2 不同转移时间的光学显微金相组织对比

图3 不同停放时间的光学显微金相组织对比

为进一步在更加细微的组织层面观察组织的变换特征，对转移时间为60 s 的试样和停放时间为48 h 和168 h 的试样进行扫描电子显微镜（SEM）观察，其结果见图4和图5。

图4 淬火后转移时间60 s的SEM显微组织

图5 不同停放时间的SEM显微组织

从SEM 组织照片可以看出，上述三种组织没有明显的差别，都有较密集的基体组织η＇相的析出、链锁状的晶界与较窄的无析出区。只是停放168 h 的试样组织上，析出相稍微粗大些，但从析出相的尺寸上可判断，它们仍然是η＇相[5]。依据常识，7×××系铝合金的强度峰值所对应的显微组织形貌特征是GP区+η＇[6-7]，而上述三种状态的特征恰是这种析出相结构，这进一步说明了为什么它们的强度不降低的原因。

综上所述可知，7475 铝合金淬火后过饱和空位和过饱和溶质原子相结合而成的一种空位+溶质原子集团组织是相对稳定的，基本不受时间的影响，不随时间的变化而发生长大或消失。这样一种稳定的析出相的临界核心只有在较高的温度（例如人工时效温度）下才能长大，而在较低的温度下，它们能保持相当长的时间而不发生任何实质性的变化[7-8]。

3 分析与讨论

本文关于转移时间的研究是在一定的装备和环境保障条件下进行的，目的在于从机理层面说明7475 铝合金对淬火转移时间不敏感，帮助生产和工艺技术管理者利用这种特性，适当放宽对具体的生产装备和环境条件要求的限制，从而制定出既能符合生产现场实际条件又能保证产品质量稳定性的过程控制要求。需要特殊说明的是，在实际工业生产中不能忽略环境温度以及装备条件情况的影响而制定转移时间控制要求。任何材料的工业化生产，均离不开生产装备能力的保证。工业化生产中，用于固溶处理的淬火炉装备一般都具备控制转移时间的能力，只是不同设备或者随着装备条件的老化，其对应的控制能力出现不同程度的差异。装备和环境条件不同，随着转移时间延长，造成材料淬火冷却前的温度降低程度不同，从而对最终组织性能会产生不同程度的影响，只是材料的特性不同，体现出的影响程度大小不同。如果实际材料淬火冷却前的温度过低，会致使材料的性能出现较大波动[4]。因此在研究制定具体的转移时间控制要求过程中，一定要同时充分验证和评估对应的装备和环境条件对材料淬火冷却前的温度影响程度。

本文中关于淬火后停放时间的研究，是在基本工艺流程以及要求确定的条件下进行的，如淬火后的去应力矫直拉伸过程均有确定的控制要求。因此生产和工艺技术管理者在研究制定淬火后停放时间要求时，不能忽略期间的其他工艺流程对最终性能的影响。淬火后的去应力拉伸过程中，拉伸率的控制不同，势必会对材料性能造成不同程度的影响[9]；淬火和拉伸的时间间隔，也会对拉伸去应力效果造成影响从而影响到最终性能[2]。因此在研究制定具体的淬火后停放时间过程中，一定要同时充分验证和评估其他工艺流程对最终性能的影响。

4 结论

（1）7475 铝合金的力学性能基本不随淬火转移时间（在60 s之内）的延长而降低。

（2）7475 铝合金的力学性能基本不受淬火后停放时间的影响。

（3）7475 铝合金对淬火转移时间和停放时间不敏感的原因在于其淬火后形成的析出相的临界核心相对稳定。