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摘要 :7055 铝合金因其优良的力学性能和耐腐蚀性能 被广泛应用到航空航天及特殊行业中。合金的各种性能较 为敏感，受析出物形态的影响很大。目前，已经研究并实 施了多种时效方式来调整合金不同阶段的微观组织，从而 达到机械性能和耐腐蚀性能良好组合。本文首先介绍了合 金元素对微观结构和后续时效的影响，其次论述了现阶段 不同的时效方法对合金微观结构和各种性能的影响。最后 讨论了不同成型工艺对合金时效的作用。
关键词 :7055 铝合金,时效,合金元素,析出强化,成型工艺
1 前言
Al-Zn-Mg-Cu 系合金由于其较高的强度(通常在 500 MPa 以上)称为超高强铝合金。7055 铝合金是美国铝业公 司在20世纪 90 年代在 7075和 7050 铝合金后而研发的一种 Al-Zn-Mg-Cu 系超高强铝合金。7055合金主要从调整 7150 合金的成分入手，进一步增加了Zn 的含量并降低了Fe、Si 等杂质的含量，相比于 7050合金，该合金的强度增加了近 10%，具有更高的韧性和显著提高的耐腐蚀性。7055 铝合 金通过改变相的溶解度和随后通过原位形成的分散体来 实现强化， 包括固溶、淬火、和时效硬化。7055 铝合金时效 热处理具有以下几个阶段 ：(1)溶质原子团簇的形成，(2) Guinier-Preston (GP) 区的形成，(3)亚稳相的形成和生长， (4)从亚稳态形成平衡相。形成的析出物的特征会强烈的 影响合金的各种性能(包括力学性能，腐蚀性能等)。这些 特征包括 ：几何形态、化学成分以及析出相的分布。以上 这些特征均可通过合金化学成分的选择和时效热处理过 程进行控制，不同的成型工艺对合金的时效过程影响也较 大， 本文也就着重在以上方面进行讨论。
2 7055铝合金的时效原理
7055 为Al-Zn-Mg-Cu类合金， 时效过程中析出的相主 要为三种不同的生长方式，即 GP 区、η’相和 η 相，GP 区 或者与亚稳态的 η’析出相同时从过饱和的固溶体(SSSS) 中形成， 析出相的尺寸为纳米级。通常具有两种形态的 GP 区，即 GP Ⅰ和 GP Ⅱ区。GP Ⅰ通过溶质团簇形成， 主要为 纳米级圆形或椭圆形的析出相，后期快速生长并转化为纳米级的板条状析出相。而 GP Ⅱ区主要由富含空位的团簇 产生，强烈依赖于淬火和时效的条件，因此 GP Ⅱ的这种 转化方式在 7055合金中出现的情况很少。通常情况下 7055 合金中与淬火温度无关 GP Ⅰ区为亚稳态 η’相均匀形核的 优先位置。η’相为密排六方的晶格结构，与Al基体呈半共 格关系，η’相的成分在时效过程中不断的发生变化，因此 没有固定的化学式来进行表示。通常 η’相形态为盘片状， 盘面与基体的 (111)面共格，但是盘侧面与基体不共格，与 基体之间的晶体取向遵循以下关系 :η’：(0001)η’//(110)Al， (1010) η’//(001)Al。η’和 GP 区在时效后的 7055 铝合金中 主要起析出强化的作用。稳定态的 η 相结构也为六方结构， 其成分组成为MgZn2.稳定态 η(MgZn2)相形态和 η’相类 似也为盘片状，只是尺寸稍大，直径为 50~60 nm，厚度约 为 10 ～ 20nm。因此， 7055合金的整个析出及时效过程为 ： SSSS → GP Ⅰ区→亚稳态 η’相→稳定态的 η(MgZn2)。
稳定析出相最终的形态与合金适当的化学成分以及 不同的时效热处理制度有很大的关系。尽管 7055 合金的 选择区间较窄(按照美国铝业的标准 7055合金其成分为 ： Zn:7.6% ～ 8.4%， Mg:1.8% ～ 2.3%， Cu:2.0% ～ 2.6%， Zr:0.08% ～ 0.25%， Cr: ≤ 0.04%， Fe: ≤ 0. 15%， Si: ≤ 0.10%， Ti:0.06%, Mn: ≤ 0.05%， 余量为Al)，但是其 微量的变化对于最终性能的影响较大。如果两者能够合理 的匹配，将得到需要不同性能所的合金。目前时效可采用 以下不同的形式 ：自然或人工时效，单步或多步时效，等 温或非等温时效，应力时效。淬火后晶粒内部的缺陷(空 位和位错) 可能会被消除，因此晶界将会是细小析出相的 优先形核位置并逐渐析出， 通过吸收周围的溶质原子而生 长。最后晶界附近的溶质原子浓度降低在晶界附近形成无 偏析区(PFZ)，也叫晶界无偏析带。晶界无偏析区的形态 可以通过合金元素的变化或者一些微量元素的加入以及 不同的时效制度来改变， 并且合金元素的变化对时效过程 有重要的影响。7055合金的各种性能(包括力学性能与腐 蚀性能) 均与晶粒内析出相的尺寸、分布及形态有关系， 并且晶界作为材料失效的最薄弱环节， 显然与晶界无析出 带的宽度及晶界上析出相有非常大的关系。因而时效制度 的研究主要就以上关注点来进行。
3 合金元素对组织及性能的影响
3.1 Zn元素的影响
MPs(基体析出相) 密度、GBPs(晶界析出物) 尺寸和 PFZs(晶界无析出带) 宽度随 Zn含量的增加而增加。与 低锌合金相比高锌合金的抗拉强度有所提高，这是因为高 锌合金中形成了更多的MPs。随着合金中 Zn含量的增加， GBPs 中 Zn含量明显增加。但过高的 Zn含量会增加 7055 合金铸锭成型难度，因此 7055 合金中 Zn含量宜控制在 7.7% ～ 8.2%。
3.2 Cu 和 Mg 元素的影响
Mg含量越高，硬度和强度越高，但电导率和韧性越 低。增加 Cu含量也有相类似的现象，但比Mg效果较弱。 增加Mg/Cu含量可以提高MPs 的体积分数， 从而提高强度 和硬度。在低 / 中Mg含量(1.8% ～ 2.0%) 时，增加 Cu含 量将改善晶粒内部与PFZs之间的应力差以及再结晶程度， 改善了晶间断裂程度，从而增加了合金的韧性。对于高Mg 含量(例如2.5%)的合金，高 Cu含量导致不溶相在晶界处 断裂，进一步降低合金的韧性。因此 7055合金中选择低 / 中Mg含量和高 Cu含量， 即Mg含量控制在 1.8% ～ 2.0% 范围， Cu含量控制在2.0% ～ 2.4%范围。
3.3 Zr 和 Sc 元素的影响
Zr 和 Sc 加入至 7055 铝合金中，在早期凝固过程中形 成Al3(Zr,Sc)，可以作为Al基体中异质形核的位点而最终 使得晶粒尺寸较小。Al3Zr作为一种强化相在Al 基体中分 散较为均匀且细小，因此能够阻碍位错的运动使得合金的 强度显著的提升。Sc 的加入促进了 η’相的均匀分布，抑 制了该相的热粗化，并避免了 η’相向 η 相的转化。Sc 的添 加除了晶粒细化和增加亚晶的体积分数外，还有助于在预 时效均匀化处理期间形成四元共格Al3(Sc,Zr,Ti) 沉淀， 并 阻碍动态再结晶。然而，由于晶界颗粒物和晶界无偏析带 的电化学活性以及发生氢脆的增加，Sc进一步添加将导 致抗应力腐蚀开裂性能的恶化，因此 7055 铝合金一般选 择加入 Zr 元素来提升合金强度和细化晶粒，含量控制在 0.10% ～ 0.13% 为宜。
3.4 Ti元素的影响
Ti 加入至 7055 铝合金中能降低析出物与Al 基体之间 的晶格失配，在热时效过程中热粗化的程度降低。Ti 的加 入还降低了凝固过程中的晶粒尺寸和相团聚程度，从而 提高了铸态合金的强度和塑性。Ti诱导 η 相细化，Ti 的加 入通过将 (Al,Zn)3Zr 的化学成分改性为 (Al,Zn)3(Zr,Ti) 来减 小沉淀尺寸并增加其数密度，并导致固溶处理期间形成 Al18Mg3Ti2 相。固溶、时效合金强度和塑性的提高也得益于 细 (Al,Zn)3(Zr,Ti)析出物的高数量密度和晶粒细化，以及更细小 η 相。因此 7055合金中宜加入少量的Ti，含量一般控 制在0.03% 为宜。
4 7055合金的时效制度
4.1 单级时效和多级时效
时效处理都是在一个等温条件下进行，工件被加热到 一个恒定的温度，然后在此温度下保温一定时间后冷却。 在这种情况下，可以有效调整析出相的变化以获得较好性 能，主要调整时效时间和温度。
4.1.1 单级时效
有学者对 7055 铝合金在不同单次时效 48h 后的组织 和性能进行了研究对比。结果表明，在时效初期，合金的 硬度和强度迅速增加，在 120℃时效 4h 后，硬度和强度 接近峰值，在 120℃的早期时效阶段，随着时效时间的延 长，GP 区形成并逐渐长大，时效 4h 后形成 η' 相，24h 后 开始出现 η 相。然后长期保持在较高水平。因此，7055合 金适宜的单级时效处理为 480℃ +1 h 固溶淬火，然后在 120℃ +24h 时效。在此条件下研究合金的抗拉强度、屈服 强度、延伸率和电导率分别为 513 MPa、462MPa、9.5% 和 29%(IACS)。但是单级时效时Al 基体中形成的更为粗大 且不稳定的 GP 区，从而使得合金的淬火敏感性较高，在 服役时材料极易发生应力腐蚀开裂(SCC)，尤其是在潮湿 介质中。
4.1.2 多级时效
由于单级时效后的合金容易发生应力腐蚀(SCC)开 裂和剥落腐蚀开裂，为了降低合金的 SCC 的敏感性，通常 用过时效处理(T7状态)对 7055合金进行时效处理，但是 过时效制度的应用会降低 10% ～ 15% 的机械强度。因此， 引入了多级时效处理的想法，以保证机械性能的同时提高 腐蚀性能。时效处理分为两个后续阶段。第一阶段 ：低温 热处理(120℃) 用于 GP 区和非常细的 η’相析出并形核。 在低温时会形成高密度共格的 GP 区，η’相会进行快速的 长大 ;第二阶段 ：高温热处理(160℃) 用于调整 GBPs(晶 界析出相) 的几何形状和PFZ 宽度，在高温时效处理后可 以观察到大量热稳定GP 区。第一阶段时效由于细小GP 区 的均匀析出而显著提高了抗拉强度，但高温第二阶段时效 由于晶界区析出物的粗化而降低了抗拉强度，尽管它提高 了抗 SCC 性能。另外，第一时效阶段为Al3Zr 的析出提供 了较高的驱动力和异质形核的位点，Al3Zr 的数量和密度 都显著的增加。在第二时效阶段Al3Zr 发生了长大， 均匀化 后的组织中有部分再结晶组织。最终组织中Al3Zr 的分布 对机械性能影响不大，但是显著提高了应力腐蚀的能力。 因此，还需对时效温度和保温时间进一步优化，以在 7055合金中获得抗应力腐蚀和机械性能最佳匹配。
4.2 回归再时效 (RRA)
4.2.1 时效过程
回归再时效(RRA)也是 7055 铝合金中的一种多级时 效工艺，目的是在不牺牲机械性能的情况下提高其耐腐蚀 性。在常规均匀化之后，RRA包括三个热处理阶段 ：(1) 在低温下长时间预时效。在低温长时间预时效处理后的显 微组织主要包括细小的 GP 区和 η’相。(2)在相对较高的 温度下短时间回归退化。在随后的高温短时回归时溶解了 基体中的这些相，其它的相不受影响。未溶解的析出相在 回归阶段继续生长， 其数量密度下降， 尤其是在晶界区域。 (3)在低温下长时间重新时效。在后续的再时效阶段，较 大的 GP 区可以作为 η’相析出成核的优先位点，并使预先 存在的 η’相继续长大。通过这几步处理可以有效地控制 析出相的数量及密度、PFZ 宽度、GPBs 的形态与分布。从 而在RRA 结束时形成具有足够高数量密度的细沉淀析出 相的有利微观结构。最终获得机械强度和耐腐蚀敏感性的 良好组合的铝合金。
4.2.2 回归再时效对组织及其性能的影响
7055 铝合金回归早期的主要强化析出物为非常细小 的 GP 区和 η’相。随着回归热处理的进行较细的 GP 区溶 解，并形成新的 η’和 η 析出相，这些新相可以提高机械强 度并降低延伸率。回归过程中基体中溶解了大量细晶内析 出物，再时效过程中又出现新析出相再形核，并导致二次 强化。随着再时效时间的延长，细晶相变粗，机械强度下 降。因此长时间的再时效不利于回归再时效处理合金的机 械强度。
5 成型工艺对时效的影响
5.1 粉末冶金成型
7055 铝合金也可通过粉末冶金的方法进行加工。在目 前的研究中喷射成型(沉积) 工艺为最成熟的一种快速凝 固粉末冶金成型技术，可生产半成品管、坯料、板材和其 他简单结构构件。喷射成形的 7055合金由于存在细小的 GP 区而表现出较强的强度。然而，通过喷射成型形成的 金属和合金始终存在少量孔隙。因此，必须通过挤压 /锻 造而形成最终的成型材料，以消除气孔。喷射沉积技术为 制备合金成分准确、晶粒细化、析出物均匀的超高强度铝 合金提供了有效途径。7055合金喷射成型合金经后续的时 效处理后其微观结构仍是典型的等晶结构，但基体中析出 相数目明显减少，呈均匀的细针状分布，亚稳态 η’相主要 是析出相。经过最佳固溶处理和峰值时效处理后，合金的 强度分别达到 734 MPa和 802 MPa， 延伸率分别为 9.8% 和5.3%。晶界强化、析出强化和均匀的微观组织具有优良的 力学性能。
有学者对 7055合金进行了粉末热压烧结实验。将烧结 态的合金与时效后的合金进行了对比，时效后合金的强度 比烧结合金的强度几乎增加了一倍，三种时效处理样品的 强度顺序为 ：回归再时效 (RRA)>>双级时效 >T6 态。时 效处理后力学性能改善主要是由于基体相 (MPs)、η’相和 Al3Zr粒子的析出强化。此外，三种时效处理样品的耐腐蚀 性分别为 ：双级时效 > 回归再时效 >T6态，连续晶界析出 物和含Fe析出物增加了腐蚀敏感性。另外分离的晶界析 出物(GBPs)和 Cu含量较高的 GBPs 有助于得到更好的耐 腐蚀性。
5.2 铸态挤压及轧制过程
7055 铝合金经过铸造后的铸锭通常在经过均匀化热 处理后再进行挤压或者轧制处理，从而获得组织致密、晶 粒细小、力学性能和耐腐蚀性能较好的最终产品。7055合 金通过使用低温预处理，多相共晶中的各个组成相生长为 分离的组成颗粒，并且 η 相完全溶解。适当的预处理可以 使合金中的组分颗粒在随后的高温固溶处理时不会过热。 并在不损失塑性的情况下显著提高断裂韧性和抗拉强度， 由于颗粒分散物细小导致裂纹萌生减少以及基体中溶质 元素浓度增加导致后续合金的时效硬化，合金的拉伸强度 和断裂韧性分别提高到 805MPa和41.5MPa·m1/2.拉伸伸 长率约为 9%。
对铝合金挤压材料进行了固溶时效处理，并对其组织 和力学性能进行了表征和测试。结果表明，随着固溶温度 的升高和固溶时间的延长，合金的强度呈现先增大后减小 的趋势，双级时效条件为 121℃ ×5h+133℃ ×16h 时效过 程中，铝合金具有优异的综合性能，强度为 828.0MPa，拉 伸伸长率为 8.1%。
6 结语
本文主要系统的论述了 7055 铝合金最新时效过程中 的不同物相的析出机制和对机械性能及耐腐蚀能力的影 响。根据讨论结果，MgZn2 (η’) 为合金中的主要强化相， 时效及相应的热处理工艺严重影响强化相的析出过程、分 布以及几何形态。本文首先介绍合金元素对于 7055合金中 物相的形成和析出的影响，随后着重讲述了几种不同的时 效工艺下各种析出相的变化，晶粒内部及晶界处元素的分 布，另外，讨论了在这种时效工艺下形成的组织对各种性 能的影响。最后，介绍了 7055合金成型工艺对于时效的影响，期望能够为 7055 铝合金时效过程提供了参考。
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