7000系铝合金强韧化热处理技术创新与工业应用
超高强铝合金研究进展与发展趋势
超高强铝合金研究进展与发展趋势
邢清源;臧金鑫;陈军洲;杨守杰;戴圣龙
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2024(44)2
【摘要】超高强铝合金具有密度低、比强度高等特点,广泛应用于航空、航天、核工业等领域。
合金的极限强度已从第四代铝合金的600 MPa级,逐步发展到
650~700 MPa级、750 MPa级,甚至800 MPa级及以上第五代铝合金。
本文首
先对超高强铝合金的发展历程和国内外发展现状进行概述;随后,从成分设计与优化、熔铸与均匀化技术、热变形技术、热处理技术、计算机辅助模拟计算共五个方面对近些年的研究进展和所遇到的问题进行了总结和讨论;最后,结合未来装备的发展需
求和国内的技术现状,指出“深入研究基础理论,解决综合性能匹配等问题以及在特
定应用场景下专用材料的推广应用”是超高强铝合金的发展趋势和重要方向。
【总页数】12页(P60-71)
【作者】邢清源;臧金鑫;陈军洲;杨守杰;戴圣龙
【作者单位】中国航发北京航空材料研究院铝合金研究所;北京市先进铝合金材料
及应用工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
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超高强7000系铝合金的淬火敏感性
1 淬火敏感性机理
众所周知，7000 系铝合金的高强度和高硬度主要 是通过时效于铝基体中析出高密度纳米级沉淀强化相 η′(MgZn2)来实现的[13−15]。一般而言，η′相越细小、体 积分数越高，合金的强度越高。η′相的体积分数受到 合金元素 Zn 和 Mg 含量的影响，Zn 和 Mg 的含量越 高，η′相的体积分数越高。7000 系铝合金在固溶处理 后，需快冷至室温，以将合金元素 Zn、Mg 和 Cu 元 素“冻结”在 Al 基体中，形成过饱和固溶体，为时效 调控性能奠定基础。淬火过程中过饱和固溶体不稳定， 当小于临界冷却速率时，会发生分解而在晶内和(亚) 晶界上析出平衡相(通常为 η(MgZn2)相)[14, 16−20]，如图 1 所示。这些相尺寸较大，几乎没有强化效果，同时 消耗了很多的 Zn、Mg 合金元素，大大降低了 Al 基体 中溶质原子浓度和空位浓度。溶质原子浓度的降低导 致时效后基体中可形成的 η′强化相的体积分数大大减 小，而且平衡相周围存在无沉淀析出带(PFZ)；空位浓 度的减小降低了沉淀强化相的弥散程度、增加了尺寸， 从而导致合金的强度和硬度降低。这通常被认为是合 金强度和硬度淬火敏感性产生的主要原因[14, 16−20]。淬 火速率减小促使晶界及亚晶界上粗大平衡相的析出， 增加了晶界第二相的尺寸和覆盖率以及晶界无沉淀析 出带(PFZ)宽度[16, 21]，提高了合金变形时沿晶和沿亚晶 断裂的比例和腐蚀环境下沿晶侵蚀速率，从而降低合 金时效后的韧性、塑性及抗晶间、剥落等腐蚀能 力[22−25]。
中南大学教育部有色金属材料科学与工程重点实验室长沙4100837000系铝合金的淬火敏感性研究情况进行了回顾探讨了淬火敏感性机理总结了淬火敏感性的评价方法从合金的化学成分微观组织和制备工艺角度分析了影响淬火敏感性的因素指出了设计和调整合金成分精细调控微观组织是降低淬火敏感性的可能途径介绍了预测合金性能的淬火因子分析方法qfa并据此提出淬火敏感区间快冷高低温区间慢冷的淬火工艺可保证合金高力学性能和低残余应力
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提高赛什塘铜矿选矿指标的技术研究与应用西北矿冶研究院周涛、余江鸿、黄建芬、王永斌、师伟红、李冠军、刘守信、吴斌、孙科峰、符嵩涛、王进龙23、2012060 磁黄铁矿型复杂难选矿石工艺矿物学广州有色金属研究院、大宝山矿业有限公司梁冬云、刘聪、李波、刘丁强、喻连香、朱传明、张莉莉、洪秋阳、何晓娟、黎国进、肖飞燕、张永进24、2012061 复杂铅锌银多金属矿选矿新技术与应用沈阳有色金属研究院、内蒙古玉龙矿业股份有限公司于雪、刘江、陈宏、王文龙、谢振玉、孟宪瑜、刘学胜、陈新林、房春泽、刘昭、韩国才、张向军25、2012064 含砷碳卡林型金矿石处理关键技术及产业化中国瑞林工程技术有限公司、江西理工大学、贵州锦丰矿业有限公司雷存友、黄万抚、杨焱、胡根华、杨超、吴国高、吴彩斌、余浔、田立国、曾宪坤、胡珅琛、王莉萌26、2012065 大型复杂难选铜矿铜硫资源高效回收关键技术及应用中国瑞林工程技术有限公司、江西铜业股份有限公司、北京矿冶研究总院王莉萌、范小雄、张红华、喻贵芳、吴熙群、魏中超、彭俊波、周少兵、郭灵敏、袁国才、郭可宁、雷存友27、2012066 锡多金属资源含砷硫铁矿综合回收研究与产业化广西华锡集团股份有限公司车河选矿厂、柳州华锡有色设计研究院有限责任公司吴伯增、陈建明、余忠保、杨奕旗、梁增永、黄承波、张甦、杨林院、黄闰芝、陈锦全、胡明振、黄锦庆28、2012071 从氧化铝赤泥中回收铁精矿的方法研究及产业化长沙有色冶金设计研究院有限公司、中国铝业股份有限公司广西分公司、广州有色金属研究院廖江南、黄光洪、刘永刚、马士强、汤玉和、李国乾、彭雪清、吴海文、高玉德、甘霖、王继翔、周前军29、2012072 铁尾矿梯级分离多元素综合回收技术北京矿冶研究总院袁朝新、王云、郭持皓、常耀超、刘大学、李大江、黄海辉、彭达顺、高磊、何国华、霍慧芳、厉彦江30、2012077 有机锡系列化合物制备技术及产业化应用云南锡业股份有限公司、云南锡业锡化学品有限公司顾鹤林、兰旭、皇甫智伟、刘路坷、郭应辉、李晖、罗家轩、赵保良、徐万立、楚斌、解惠芳、苏爱萍31、2012081 清洁高效节能的澳斯麦特镍熔炼系统集成工艺技术及应用中国瑞林工程技术有限公司、吉林吉恩镍业股份有限公司王玮、李景峰、涂瑞、朴东鹤、唐尊球、郑喜林、阮建国、衣庆稷、罗路、孙明奇、崔学雷、马忠诚32、2012083 直接浸取超低品位氧化锰矿生产无汞碱锰型电解二氧化锰的研究和应用（发明）广西有色金属集团汇元锰业有限公司陈奇志、万维华、史磊、方皓、巫彪新、陆宾33、2012085 预还原-中和-针铁矿法沉铁工艺研究株洲冶炼集团股份有限公司刘朗明、袁建明、周正华、虢振强、胡杰、彭小明、唐爱勇、孙天友、何纯海、刘卫平、张伟、龙双34、2012090 金川钴精炼工艺集成创新及应用金川集团股份有限公司周民、闫忠强、胡家彦、朱永泽、丁庆华、赵宏元、马常靖、冯玉洁、陈永来、郭金良、周春元、张杰35、2012092 黑铜渣处理新工艺与装备研究金川集团股份有限公司李尚勇、卓文、杨晓霞、叶先英、陈志寰、宗红星、张晋业、李德祥、李琳华、张国雄、梁艳萍36、2012097 富钴结壳还原酸浸100kg级规模扩大试验北京矿冶研究总院蒋开喜、范艳青、冯林永、蒋伟、赵磊、刘巍、张登高、蒋训雄、汪胜东37、2012098 高品质功能性锡粉制备关键技术研究及产业化有研粉末新材料（北京）有限公司张敬国、汪礼敏、张景怀、杨中元、王磊、王跃发、王林山、宋守俊、徐景杰、戴赫、王立根、万新梁38、2012104 低温拜耳法砂状氧化铝高效生产工艺创新研究中国铝业股份有限公司山东分公司钱记泽、温金德、李新华、郝云飞、王少武、秦念勇、刘延静、李福强、王红鹏、张海涛、董鹏、陈昕39、2012105 氧化铝焙烧节能减排技术创新中国铝业股份有限公司山东分公司、山东齐韵有色冶金工程设计院有限公司孙波、董晓辉、张丰杰、温金德、阎长春、范文峰、仰苏、高飞、苏兆勇、刘德明、于建国、韩继增40、2012107 铝电解槽在线焊接关键技术研究及应用青铜峡铝业股份有限公司检修分公司、武汉大学牛庆仁、杨宏伟、张国栋、姚文林、孙少波、张晓军、张思贤、杨勇、尚文祥、汤元宁、李海琦41、2012117 复杂原料生产炭阳极关键技术研究及应用中国铝业股份有。
高校2013年度国家科技进步奖
44
工程应用
长大跨桥梁结构状态评
李爱群，郭 彤，张宇峰，李兆霞， 东南大学(1)， 长安大学 王春生，王 浩，何旭辉，江祥林， (3)，中南大学(4) 梁新政，王 莹
螺旋锥齿轮数控加工关
王树新，柴宝连，郭晓东，霍津海， 天津大学(1)， 重庆理工 张连洪，何柏岩，杜鸿起，陈永亮， 大学(3) 王 威，刘德全
32
键技术与成套装备
大吨位系列履带式起重
刘金江，徐格宁，李明奇，秦绪起， 太原科技大学(2)
机关键技术与应用 （注： 彭继文，廖虎灵，谢 军，韩凤磷，
33
2012 年转到今年授奖的 项目） 刘士杰，陈 康
2
南方葡萄根域限制与避 雨栽培关键技术研究与 示范
王世平，杨国顺，李世诚，石雪晖， 上海交通大学(1)， 湖南 吴 江，陶建敏，蒋爱丽，白先进， 农业大学(2)
单传伦，许文平
3
杨梅枇杷果实贮藏物流 核心技术研发及其集成 应用
陈昆松，徐昌杰，孙 钧，孙崇德， 浙江大学(1) 李 张 莉，张泽煌，江国良，郑金土， 波，王康强
6
北京鸭新品种培育与养 殖技术研究应用
侯水生，胡胜强，刘小林，黄
苇， 西北农林科技大学(3)
郝金平，谢 明，李国臣，樊红平， 闫 磊，张慧林
7
建鲤健康养殖的系统营 养技术及其在淡水鱼上 的应用
周小秋，邝声耀，戈贤平，王尚文， 四川农业大学(1) 冯 琳，刘 扬，唐 凌，高启平，
姜维丹，唐 旭
8
巴美肉羊新品种培育及 关键技术研究与示范
刘池阳，任战利，李子颖，王震亮， 西北大学(1)， 西安石油 王 毅，吴柏林，徐高中，赵红格， 大学(5)
10
成藏理论技术创新与多 种能源矿产协同勘探
铝合金的强韧化
E 由于基体和粒子中滑移面的取向不一致， 螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而 割阶会妨碍整个位错线的移动。
（2）不可变形微粒的强化作用—— 奥罗万机制
·适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的 情形。 使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为 τ=Gb/（2R）设颗粒间距为λ 则τ=Gb/ λ ∴Rmin=λ/2 只有当外力大于Gb/ λ 时，位错线才能绕过粒子。 减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金 的强度提高。
4 其它强韧法
铝合金的强韧化手段还有很多, 如激光 冲击强化、复合强化(利用陶瓷、碳纤维、 晶须、颗粒等增强铝基体)、优晶处理等
纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体， 起固溶强化作用，可使其强度提高。AlCu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二 元合金一般都能形成有限固溶体，并且均 有较大的溶解度，因此具有较大的固溶强 化效果。
对于不可热处理强化或强化效果不大的铸 造铝合金和变形铝合金，可以通过加入微 量合金元素细化晶粒，提高铝合金的力学 性能。例如二元铝硅合金以及所有高硅合 金淬火及时效后强化效果很弱，若在浇注 前往液态合金中加入微量的钠或钠盐等进 行变质处理，那么合金组织将显著细化， 从而显著提高合金的强度和塑性。
1.2 添加新合金元素
将锰添加到7XXX 系铝合金中,能起细化晶粒、 阻碍基体晶粒长大和再结晶的作用, 并且在不降低 合金塑性和韧性的情况下显著提高合金强度。合 金强度提高的主要原因是过饱和铝合金固溶体分 解形成细小、弥散含锰相,含锰相促进了晶粒的均 匀塑变,细化了滑移带的宽度, 从而降低了应变或应 力集中,使材料塑性得到提高。 。
高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势
能好 , 两者 SCC 性
777 用作部分结构件
能相似
抗压和抗拉强度比 T7751 状态厚板 被波音 777 飞机选为
7055
7150 高 10 % , 断裂 韧 性 、耐 蚀 性 与
和挤压件
上翼结构材料
7150 相似
2 铝合金的微观组织结构
高强高韧铝合金的微观组织决定了其合金的宏观 性能 (抗拉强度 、断裂韧性 、抗腐蚀性能等) 。有关研 究[9～11]表明 :高强铝合金的基体沉淀相 (MPt) 、晶界沉 淀相 ( GBP) 和晶界无析出带宽度 ( PFZ) 的形状与特性 决定了合金的宏观性能 。
国内超高强铝合金的研究开发起步较晚 。20 世 纪 80 年代初 ,东北轻合金加工厂和北京航空材料研究 所开始研制 Al2Zn2Mg2Cu 系高强高韧铝合金 。目前 , 在普通 7XXX 系铝合金的生产和应用方面已进入到实 用化阶段 ,产品主要包括 7075 、7175 、和 7050 等 ,用于 各种航空器结构件的制造 。20 世纪 90 年代中期 ,北 京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了 7A55 超高强铝合金 ,近来又开发出强度更高的 7A60 合金 。“九五”期间 ,在国家攻关和 863 高技术项目的 支持下 ,北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂 开展了仿制俄罗斯 B96 Ц合金成分的超高强 7XXX 系 铝合金以及具有更高锌含量的喷射成形超高强铝合金 的开发工作 ,他们分别采用喷射沉积和半连续铸造工 艺 ,制成了各种尺寸的 (模) 锻件 、挤压棒材及无缝挤压 管材等 ,合金的屈服强度已分别达 750～780 MPa 和 630～650 MPa 、延伸率则分别达到 8 %～10 %和 4 %～ 7 % ,其中北京有色研究总院用喷射成型技术研制的 7000 系合金 (Al28. 6Zn22. 6Mg22. 2Cu) ,其屈服强度为 710 MPa ,抗拉强度为 740 MPa ,δ= 10 %[8] 。
高精度铝合金管材的应用及生产技术
高精度铝合金管材的应用及生产技术摘要：由于经济和工业水平的提高，中国金属需求的增加在工业生产中铝合金材料是轻金属发挥着越来越重要的作用。
它提供了腐蚀、轻率、高盈利、能效和环境等优点。
高精度成品铝合金目前用于航天、汽车工业、工程、化学等领域。
本文研究分析了铝合金及其加工技术的应用。
关键词：高精度铝合金；应用；加工成形技术高精度铝合金的主要优点通常是加工能力好、焊接简单、强度高、密度低。
因此，它被用于汽车、航天、民航等许多领域。
特别是，它在汽车工业中起着至关重要的促进作用，广泛应用于汽车工业。
一、高精度铝合金材料的特点国外高精度铝合金的研制Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu铝合金产品，Al-Cu-Mg 合金的静态强度较低，Alu-ZN-MG-CU合金的温度有很高的状态。
Al-Cu-Mg是早最合金。
铝产品的快速热处理。
随着汽车工业的发展此外，还开发了铝合金系列的制造工艺。
在上世纪下半叶到至今，合金得到了发展，在此基础上开发了2618种合金。
我们成功地研制系列合金十多种发展类型广泛应用于汽车工业。
我国相对较晚研究高精度铝合金。
最早起源铝合金可追溯到80年代。
高精度铝合金(Al-Zn-mg-Cu)的研究开发高强高韧铝合金。
7xxx系列铝合金目前广泛用于航空应用，推导出7075、7175、7050等在航空产品制造中广泛应用的铝合金。
20世纪90年代，北京乘用车研究所成功研制出了标准和半连续铸造7A55铝合金，研制出了高精度7A60铝合金。
1.低密度铝合金。
其密度为2.7g/立方厘米，而工业制造中通常使用密度为7.8g/立方厘米的钢，其中铝合金约占三分之一。
由于这些特殊特性，铝合金满足了航空航天、汽车工业、建筑等领域的设备要求。
以实现更广泛的使用。
使用铝合金可以在一定程度上降低运输和加工成本，从而降低成本。
2.铝合金具有良好的力学性能。
纯铝具有较低的密度值和良好的可成型性，但纯铝相对强度低。
因此锌、镁、铜等元素被添加。
7系铝合金热处理
7系铝合金热处理
7系铝合金是一类具有高强度、较好的冲击韧性和疲劳强度的
铝合金。
常见的7系铝合金有7075、7050、7049等。
对于7系铝合金的热处理，常见的有时效处理和加速时效处理。
1. 时效处理（T6处理）：首先进行固溶处理，即将合金加热
至固溶温度（通常在480℃左右），使合金内部的溶解相均匀
分布。
然后快速冷却至室温，以固定合金的状态。
紧接着，将合金再次加热至较低的时效温度（通常在120~180℃之间），
保持一定时间，使固溶相逐渐析出，形成细小的沉淀相。
这样能够大大提高合金的强度和硬度，同时不会显著降低韧性。
2. 加速时效处理（T76处理）：加速时效处理是对时效处理的
改进。
在固溶处理后，将合金迅速冷却至低于室温（通常在-70℃左右），然后再加热至较低的时效温度进行时效处理。
这种处理方法能够更加充分地析出固溶相，形成更细小的沉淀相，进一步提高合金的强度和硬度。
同时，由于迅速冷却的存在，还能改善合金的冲击韧性。
总的来说，7系铝合金的热处理可以通过时效处理和加速时效
处理来提高合金的强度、硬度和冲击韧性。
根据具体的应用要求和合金种类，可以选择合适的热处理方法。
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7000系铝合金强韧化热处理技术创新与工业应用
项目名称：7000系铝合金强韧化热处理技术创新与工业应用
完成人：熊柏青，周江，张永安，陈康华，赵刚，李志辉，苏堪祥，李锡武，吕新宇，王锋，刘显东，朱宝宏，王国军，田妮，
金龙兵，刘红伟
完成单位：北京有色金属研究总院、东北轻合金有限责任公司、中南大学、东北大学
推荐奖种：科技进步奖
项目简介：
本项目在国家科技支撑计划、国家863计划等的支持下，围绕7000系铝合金强韧化热处理的理论与技术开展了全面的创新研发工作：①在发展完善了7000系铝合金铸锭均匀化退火处理和变形加工材固溶热处理过程中的复杂凝固析出相—弥散相—基体组织的协同调控理论的基础上，开发了实用化的铸锭双级和多级均匀化退火处理新技术、变形加工材多级固溶热处理新技术；②在发展完善了晶内与晶界时效沉淀相协同调控理论的基础上，开发了实用化的T79、T76和T74双级过时效热处理技术，以及与国外现有工艺相比具有更宽的高温回归处理时间窗口、适用于更大厚度制品生产的三级时效热处理新技术。
在上述创新工作的基础上，建立了完整的、包括铸锭双级/多级均匀化退火处理、变形加工材多级固溶热处理、T6单级峰时效、T79双级微度过时效、T76双级浅度过时效、T74双级中度过时效、T73双级深度过时效、三级时效在内的7000系铝合金强韧化热处理技术体系。
项目成果已全面实现工业化应用，所生产的各种热处理状态的7000系铝合金产品已成为当前我国全部三代战机的骨干材料，并广泛应用于国产民用飞机、直升机、在研新型战机、卫星、载人航天飞船、探月飞行器等，
打破了国外对我国关键材料与技术的封锁，经济和社会效益显著，具有广阔的推广应用前景。
前三完成人贡献：
（1）熊柏青，北京有色金属研究总院，项目总负责人，领导总体研究方案制定，主持理论研究和实验室阶段工艺研究工作。
总结提出了7000系铝合金凝固析出相-弥散相-基体组织的在均匀化退火处理和固溶热处理过程中的协同调控理论，晶内与晶界时效沉淀相协同调控理论；主持开发了7000系铝合金铸锭双级和多级均匀化退火处理新技术，7000系铝合金变形加工材的多级固溶热处理新技术、T79/T76/T74双级过时效热处理技术原型、新型三级时效热处理新技术。
该完成人工作量占本人工作总量的60％。
（2）周江，东北轻合金有限责任公司，负责新型强韧化热处理技术工业化应用研究方案的制定与实施。
针对项目的技术要求，主持了工业化条件下7055、7050、7150、7B04等合金铸锭均匀化热处理工艺以及合金板材、型材、线材等的新型固溶处理及时效处理工艺研究工作，实现了本项目技术成果的全面工业化应用。
主持制定企业标准多项，对项目的研发工作做出了创造性贡献，其工作量占本人工作总量的50％。
（3）张永安，北京有色金属研究总院，参与项目总体研究方案制定，负责实验室基础与中试放大研究方案制定及组织实施工作。
具体负责组织负责多种7000系铝合金铸锭的新型均匀化、变形加工材的固溶与时效技术的理论基础及工程化试验研究工作，研发出7000系铝合金铸锭均匀化退火处理新技术，以及7000系铝合金变形加工材的固溶热处理新技术时效热处理技术原型。
对项目的研发工作做出了创造性贡献，其工作量占本人工作总量的60％。