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Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金因?yàn)榈兔芏群透邚?qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造等領(lǐng)域，包括機(jī)身框架、桁條和機(jī)翼等，但該系合金耐蝕性較差，可通過(guò)成分設(shè)計(jì)和熱處理制度優(yōu)化等提高其耐蝕性。Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Ti合金中添加微量Cr能夠使合金經(jīng)過(guò)固溶處理后析出大量細(xì)小的(Al,Cr)(Zr,Ti)相釘扎位錯(cuò)與亞晶界，從而抑制再結(jié)晶；而合金中存在大量的以亞晶組織為主的變形組織，降低了合金晶間腐蝕的電化學(xué)動(dòng)力，減弱了沿晶腐蝕傾向，因此合金的抗剝蝕性能提高。合理的回歸再時(shí)效（retrogression re-ageing，RRA）處理制度能夠優(yōu)化Al-Zn-Mg-Cu合金的抗腐蝕性能，RRA處理回歸時(shí)間的延長(zhǎng)能夠使RRA態(tài)合金晶內(nèi)析出相由亞平衡態(tài)向平衡態(tài)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺竦摩窍?，而且晶界處的非共格η相的尺寸變得更加粗大，η相粒子的分布更加彌散，晶界附近的晶界無(wú)沉淀析出帶（precipitation free zone，PFZ）也更加寬化，使得合金的腐蝕敏感性變小。采用預(yù)變形+短時(shí)間退火+熱軋的工藝可以使晶粒發(fā)生細(xì)化，且晶界析出相呈不連續(xù)的形式分布，從而使Al-Zn-Mg-Cu合金的塑性和抗腐蝕性能得到提高。逐步固溶處理工藝和多級(jí)固溶處理工藝可以有效地使Al-Zn-Mg-Cu合金的晶界析出相顯著粗化，增大其彌散度，切斷腐蝕應(yīng)力擴(kuò)張通道，提高合金的其抗剝蝕性能
蠕變時(shí)效成形技術(shù)是利用鋁合金的蠕變特性將成形與人工時(shí)效同時(shí)進(jìn)行的一種工藝，該技術(shù)是為了解決飛機(jī)制造中復(fù)雜的整體壁板成形質(zhì)量和使用壽命而營(yíng)運(yùn)發(fā)展起來(lái)的[6-9]。蠕變時(shí)效成形技術(shù)既能利用合金在應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下的蠕變松弛行為來(lái)獲得滿足形狀尺寸要求的整體壁板，同時(shí)和可以利用人工時(shí)效使合金保持優(yōu)異的組織和性能，既能“控形”，又能“控性”[10-11]。因此，關(guān)于研究蠕變時(shí)效因素對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金性能的影響很有實(shí)用價(jià)值。
本文以7050航空用超高強(qiáng)鋁合金（以下簡(jiǎn)稱為7050鋁合金）為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行蠕變時(shí)效處理，探討溫度和應(yīng)力等對(duì)合金微觀組織與性能的影響，揭示7050鋁合金蠕變時(shí)效成形規(guī)律與成形機(jī)制，獲得合金蠕變時(shí)效成形關(guān)鍵技術(shù)，為促進(jìn)鋁合金蠕變時(shí)效成形的工程化應(yīng)用提供一定理論指導(dǎo)與試驗(yàn)支撐。
試驗(yàn)用7050鋁合金板成分為Al-6.2Zn-2.3Cu-2.2Mg-0.12Zr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。試樣經(jīng)475 ℃/1 h固溶處理后，立刻進(jìn)行時(shí)效處理。為確定不同溫度下的峰值時(shí)效時(shí)間，先分別測(cè)定合金在120，140和160 ℃下的時(shí)效硬化曲線所示?？纱_定峰值時(shí)效制度分別為120 ℃/24 h，140 ℃/12 h和160 ℃/4 h。如無(wú)特殊說(shuō)明，文章以下研究均采用峰時(shí)效態(tài)。結(jié)合文獻(xiàn)，確定合金的蠕變時(shí)效載荷為150～250 MPa，具體蠕變時(shí)效工藝參數(shù)如表1所示。
研究表明，合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率與蠕變溫度和應(yīng)力有關(guān)，三者的關(guān)系可用本構(gòu)方程表示為：
為蠕變時(shí)效和人工時(shí)效的維氏硬度值，可以看出蠕變時(shí)效硬度明顯高于人工時(shí)效。蠕變時(shí)效C1，C2，C3試樣與人工時(shí)效A1試樣相比硬度有較大提升，分別提升了9.4%、5.8%和7.3%，隨著時(shí)效溫度的升高，蠕變時(shí)效試樣硬度略有下降，C4試樣硬度較A2試樣硬度提升3.6%。當(dāng)時(shí)效溫度升高至160 ℃時(shí)，C5試樣與A3試樣硬度幾乎無(wú)差別。
腐蝕表面已有大量的腐蝕產(chǎn)物脫落，合金抗剝蝕性能隨時(shí)效溫度的升高略有升高。對(duì)于蠕變時(shí)效試樣，如圖3（d），3（e）和3（f）所示，應(yīng)力對(duì)腐蝕性能的影響不大，試樣表面呈紅褐色，產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象。隨溫度升高，如圖3（e），3（g）和3（h）所示，試樣的腐蝕程度逐步加深，鼓泡現(xiàn)象逐步轉(zhuǎn)化為大量腐蝕產(chǎn)物的剝落，抗剝落腐蝕性能下降。對(duì)比C2，A1和C4，A2兩組試樣的腐蝕等級(jí)EBED，ECEC+，蠕變時(shí)效腐蝕性能整體優(yōu)于人工時(shí)效。蠕變時(shí)效C1，C2和C3試樣的腐蝕等級(jí)EC?，EB，EC?說(shuō)明應(yīng)力水平對(duì)蠕變時(shí)效的剝落腐蝕性能影響較小。蠕變時(shí)效C2，C4和C5試樣的腐蝕等級(jí)EBECED，說(shuō)明隨溫度升高，蠕變時(shí)效抗剝落腐蝕性能下降。圖 3
，合金的晶間腐蝕深度隨溫度升高顯著增加，由66.677 μm增加至101.558 μm。對(duì)比圖4（e），4（g）和4（h），200 MPa應(yīng)力下，合金的晶間腐蝕深度隨溫度升高而增大，由57.665 μm增加至84.242 μm，對(duì)比圖4（d），4（e）和4（f）可知，蠕變時(shí)效晶間腐蝕深度隨應(yīng)力改變變化很小，應(yīng)力變化對(duì)腐蝕性能的影響很小。由此說(shuō)明，溫度是影響蠕變時(shí)效晶間腐蝕性能的主要因素。相同溫度下，蠕變?cè)嚇拥母g深度均低于人工時(shí)效試樣的腐蝕深度，可見(jiàn)，蠕變?cè)嚇拥目咕чg腐蝕性能更優(yōu)。圖 4
Micro-morphology of 7050 aluminum alloy after different aging treatments
中可以看出，A1試樣和C2試樣的晶間析出相尺寸、數(shù)目差異不大，約為6～8 nm的η′相呈點(diǎn)狀分布于基體中，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，C2試樣的晶內(nèi)析出相更加細(xì)小。A1試樣的晶界析出相較晶內(nèi)析出相明顯粗大，且呈連續(xù)狀分布。蠕變時(shí)效后，C2試樣的晶界析出相尺寸減小，且呈不連續(xù)狀分布。溫度升高到140 ℃時(shí)，A2試樣的晶內(nèi)和晶界析出相尺寸同時(shí)長(zhǎng)大，晶界析出相分布較為連續(xù)（
?。?，蠕變時(shí)效后，C4試樣晶內(nèi)和晶界析出相尺寸均減小，且析出相在晶界上分布變得不連續(xù)（見(jiàn)
TEM images of 7050 aluminum alloy under different heat treatments
由以上試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，時(shí)效制度對(duì)7050鋁合金的微觀組織和性能影響很大。外加應(yīng)力的存在使鋁合金在塑性變形過(guò)程中原本扁平的條帶狀晶粒被破碎，從而蠕變時(shí)效試樣晶粒長(zhǎng)度有所縮短。蠕變時(shí)效過(guò)程中，外加應(yīng)力作用下位錯(cuò)數(shù)量的增加為析出相提供更多的形核位點(diǎn)，為析出相提供了形核動(dòng)力，其相變驅(qū)動(dòng)力提高，從而促使析出相細(xì)化和均勻分布，另一方面，蠕變過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生了一定程度的加工硬化，促使其硬度提高
。對(duì)于7050鋁合金來(lái)說(shuō)，晶界腐蝕和剝落腐蝕均為電化學(xué)腐蝕，且均沿著晶界進(jìn)行，因此，晶界結(jié)構(gòu)決定合金的抗腐蝕性能。晶界附近結(jié)構(gòu)可分為晶界析出相和PFZ。其中，PFZ內(nèi)沒(méi)有析出相且溶質(zhì)原子極少，可認(rèn)為其成分接近于純Al，晶界析出相成分為MgZn
在3.5%NaCl中的腐蝕電勢(shì)，發(fā)現(xiàn)二者腐蝕電勢(shì)分別為?0.855 V和?1.015 V。在電化學(xué)腐蝕中，電勢(shì)更低的MgZn2作為陽(yáng)極，在腐蝕液中優(yōu)先腐蝕。因此，晶界上粗大的MgZn2相的尺寸和分布對(duì)7050鋁合金電化學(xué)腐蝕性能起關(guān)鍵作用。晶界析出相越粗大、越連續(xù)，其腐蝕通道越寬、越連續(xù)，7050鋁合金的抗腐蝕性能越差。從圖6中可以清楚地觀察到蠕變時(shí)效后，合金晶界析出相尺寸顯著減小，且分布變得不連續(xù)，其腐蝕通道不連續(xù)，因此，蠕變時(shí)效能夠提高7050鋁合金的抗晶間腐蝕性能和抗剝落腐蝕性能。4 結(jié)論（1）溫度是影響蠕變速率的主要因素。7050鋁合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與蠕變應(yīng)力和蠕變溫度的關(guān)系為$ \dot \varepsilon = {e^{12.226}}{\sigma ^{1.66}}{\rm{exp}}( - 120\;536/RT)$。（2）蠕變時(shí)效能夠細(xì)化7050鋁合金晶內(nèi)和晶界析出相，提高了合金的硬度和抗腐蝕性能。合金在120 ℃和140 ℃下蠕變時(shí)效后的硬度和抗腐蝕性能都保持在較高水平，160 ℃下合金的硬度和抗腐蝕性能均較低。
