分享：高強(qiáng)度7xxx系鋁合金熱處理調(diào)控殘余應(yīng)力研究進(jìn)展

0.   引言

7xxx系鋁合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度以及良好的低溫力學(xué)性能,廣泛用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。隨著航天裝備的不斷大型化和輕量化,7xxx系鋁合金構(gòu)件普遍呈尺寸規(guī)格大、形狀復(fù)雜、薄壁弱剛性等結(jié)構(gòu)特點,在加工和使用中易產(chǎn)生強(qiáng)烈的殘余應(yīng)力效應(yīng),從而出現(xiàn)機(jī)械加工變形、熱處理開裂、存儲及服役中尺寸精度下降等問題。這些由殘余應(yīng)力引發(fā)的問題不僅影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量,還可能導(dǎo)致失效。因此,如何有效調(diào)控制造過程中的殘余應(yīng)力成為亟待解決的關(guān)鍵難題。 

熱處理是調(diào)控殘余應(yīng)力的有效手段之一,其核心在于通過精確控制加熱和冷卻過程來調(diào)整金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),常見方法包括淬火、冷熱循環(huán)處理、深冷處理、時效去應(yīng)力處理等。淬火處理的原理是通過改善構(gòu)件冷卻過程溫度場不均勻性來降低熱應(yīng)力,不同的淬火介質(zhì)、介質(zhì)溫度和淬火方式等對殘余應(yīng)力的影響各不相同,選擇合適的淬火參數(shù)至關(guān)重要；冷熱循環(huán)處理的原理是通過交替的加熱和冷卻過程逐步釋放材料內(nèi)部殘余應(yīng)力,其優(yōu)勢在于可以在釋放應(yīng)力的同時提高材料的尺寸穩(wěn)定性；深冷處理通過將淬火態(tài)鋁合金置于極低溫度下使其快速上坡升溫誘發(fā)塑性變形來調(diào)整內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),其關(guān)鍵在于最大限度地提高冷熱溫差并加劇上坡溫度場不均勻性；時效去應(yīng)力處理一般通過長時間自然時效或人工加速時效來調(diào)控殘余應(yīng)力,其操作簡便,但調(diào)控效果受材料成分和初始應(yīng)力狀態(tài)的影響較大。 

不同的熱處理方法各有優(yōu)勢和局限性,為了給相關(guān)研究人員提供參考,作者通過調(diào)研國內(nèi)外研究文獻(xiàn)并結(jié)合團(tuán)隊近年來研究成果,系統(tǒng)總結(jié)了淬火、冷熱循環(huán)處理、深冷處理、時效去應(yīng)力等熱處理方法在調(diào)控航天高強(qiáng)度7xxx系鋁合金殘余應(yīng)力方面的研究進(jìn)展。 

1.   淬火處理

高強(qiáng)度7xxx系鋁合金大規(guī)格復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn),多采用“厚大坯材→粗加工→固溶→淬火→時效→精加工”制造流程。其中,淬火通過快速冷卻來固定合金中的溶質(zhì)元素以獲得高的過飽和度,但快速不均勻的冷卻也導(dǎo)致了殘余應(yīng)力產(chǎn)生。淬火過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與介質(zhì)溫度、介質(zhì)種類以及淬火方式3個主要因素有關(guān),這些因素的共同作用決定了材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和分布情況。 

1.1   介質(zhì)溫度

7xxx系鋁合金淬火過程主要包括蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段3個階段。在蒸汽膜階段,材料表面被一層蒸汽膜覆蓋,熱傳遞效率低下,冷卻速率較慢；在沸騰階段,蒸汽膜破裂,材料表面直接與水接觸,迅速發(fā)生熱量交換和冷卻；在對流階段,熱傳遞主要通過水流對流進(jìn)行,冷卻速率相對平穩(wěn)。通過調(diào)控介質(zhì)溫度來減小殘余應(yīng)力的機(jī)制為增加蒸汽膜階段穩(wěn)定性,抑制沸騰階段出現(xiàn),減緩冷卻速率,均勻溫度場。 

水由于具有廉價、易獲得、無污染等優(yōu)點,成為7xxx系鋁合金最常用的淬火介質(zhì),實際生產(chǎn)中大多通過調(diào)節(jié)水溫來控制材料冷卻速率,從而實現(xiàn)對淬火殘余應(yīng)力的控制[4]。ROBINSON等[5]研究發(fā)現(xiàn),相較于冷水（小于20 ℃）淬火,使用60 ℃水淬火后7449鋁合金的殘余應(yīng)力降低了約35%,而強(qiáng)度僅輕微降低,使用100 ℃沸水淬火后殘余應(yīng)力降低了90%以上,但同時強(qiáng)度也明顯降低。這表明適度提高水溫可以在不過度犧牲材料強(qiáng)度的前提下,有效減小殘余應(yīng)力。JEANMART等[6]研究發(fā)現(xiàn),與20 ℃水淬相比,80 ℃水淬后7075鋁合金70 mm厚板表面最大殘余壓應(yīng)力和心部最大殘余拉應(yīng)力的降幅均達(dá)到了60％。李亞楠等[7]研究發(fā)現(xiàn),隨著淬火水溫從20 ℃逐步提升至80 ℃,7055鋁合金板材的殘余應(yīng)力雖仍保持外壓內(nèi)拉的分布特征,但其大小顯著降低,降幅達(dá)到69%。噴射成形7055鋁合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,但是在制造過程的淬火階段產(chǎn)生了殘余應(yīng)力,極易引發(fā)構(gòu)件變形或開裂。針對該問題,研究人員開展了大量的研究。聞強(qiáng)苗等[8]研究發(fā)現(xiàn)：用室溫（25 ℃）水淬火后,噴射成形7055鋁合金表面存在嚴(yán)重的殘余壓應(yīng)力,縱向和橫向殘余壓應(yīng)力最大值分別達(dá)到352,302 MPa；將淬火水溫提高至60,80 ℃后,縱向殘余壓應(yīng)力最大值分別降低了14%和25%,橫向殘余壓應(yīng)力最大值分別降低12%和31%；提高淬火水溫對合金雙級時效硬化行為及T74時效態(tài)拉伸性能無明顯影響,可以在不犧牲材料性能的前提下優(yōu)化殘余應(yīng)力。姜建堂等[9]研究發(fā)現(xiàn),噴射成形7055鋁合金經(jīng)20 ℃水淬時開裂敏感區(qū)溫度迅速降低,熱致拉應(yīng)力在極短時間內(nèi)達(dá)到峰值210 MPa,而經(jīng)80 ℃水淬時開裂敏感區(qū)的溫度降低較慢,最大拉應(yīng)力僅為125 MPa,這表明提升淬火水溫可以有效降低應(yīng)力集中,從而減少由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開裂問題。 

根據(jù)不同的鋁合金成分和構(gòu)件規(guī)格,選擇合適的水溫進(jìn)行淬火是至關(guān)重要的,適度提高水溫可以有效減小殘余應(yīng)力,但過高的水溫可能會導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降[10-11]。 

1.2   介質(zhì)種類

鋁合金熱處理生產(chǎn)中常用的淬火介質(zhì)包括水、鹽水（NaCl溶液）、聚乙二醇聚合物（PAG）溶液等[12]。其中：水是最常用的淬火介質(zhì),具有小黏度和大比熱容,能夠提供較高的冷卻能力,但同時可能導(dǎo)致大的殘余應(yīng)力和變形量；鹽水能在合金表面形成蒸汽膜的同時析出鹽晶體,導(dǎo)致蒸汽膜不斷破裂,從而提高冷卻能力,但由于冷卻速率過快,可能導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大；PAG溶液在高溫下脫溶PAG聚合物,可以在合金表面形成減緩冷卻速率的膜,與水淬相比,PAG溶液淬火可以使材料溫度場更均勻,從而降低殘余應(yīng)力。ROBINSON等[13]研究發(fā)現(xiàn),室溫條件下,用含體積分?jǐn)?shù)16%~30% PAG溶液淬火后7449鋁合金的殘余應(yīng)力相比水淬后更小。周峻峰等[14]研究了7050鋁合金鍛件在不同淬火介質(zhì)下的殘余應(yīng)力,結(jié)果表明：殘余應(yīng)力由高到低依次為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% NaCl溶液、水、體積分?jǐn)?shù)5%~40% PAG溶液；隨著PAG體積分?jǐn)?shù)增加,殘余應(yīng)力減小。李亞楠等[7]研究發(fā)現(xiàn),相較水淬,體積分?jǐn)?shù)5% PAG溶液淬火后,7055鋁合金厚板的最大殘余應(yīng)力降低約26.7%。曹海龍等[15]研究發(fā)現(xiàn),隨著PAG體積分?jǐn)?shù)由5%增加至15%,7055鋁合金厚板縱向和橫向殘余應(yīng)力分別降低約52%,47%。 

淬火介質(zhì)的選擇對鋁合金殘余應(yīng)力有著重要影響。綜合現(xiàn)有研究來看,與常規(guī)水淬相比,鹽水淬火雖然能夠提高冷卻速率,但同時也會導(dǎo)致更高的殘余應(yīng)力。PAG溶液淬火能夠降低殘余應(yīng)力,改善其分布均勻性,并且調(diào)控效果和安全性較高,獲得了廣泛的關(guān)注和快速推廣應(yīng)用。 

1.3   淬火方式

目前,鋁合金構(gòu)件在進(jìn)行固溶處理時常用的淬火方式包括浸沒淬火和噴淋淬火兩種。浸沒淬火通過將加熱的鋁合金構(gòu)件直接浸入冷卻介質(zhì)（通常是水）中進(jìn)行冷卻,這種方法傳熱效率相對較高,能夠較快將鋁合金冷卻,從而固定過飽和固溶體狀態(tài)；噴淋淬火通過對鋁合金構(gòu)件表面噴淋冷卻介質(zhì)來進(jìn)行冷卻,這種方法冷卻速率相對較低,但可以通過調(diào)節(jié)噴淋參數(shù)來控制冷卻過程,更能適應(yīng)復(fù)雜形狀或大型構(gòu)件的淬火需求。 

龔海等[16]研究了噴淋、浸沒兩種淬火方式對7075鋁合金板材殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明：淬火試樣的殘余應(yīng)力均呈外壓內(nèi)拉狀態(tài),浸沒淬火試樣的最大殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為130,90 MPa,分別比噴淋淬火試樣高出60%和74%；采用噴淋淬火時板材表層和心部溫差較小且較為穩(wěn)定,說明噴淋淬火過程中板材不同位置溫度梯度較小,有效抑制了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。李淑明等[17]研究發(fā)現(xiàn),相比浸沒淬火,不同水溫下噴淋淬火后7075鋁合金板材的殘余應(yīng)力降低了36%~42%。LI等[18]研究發(fā)現(xiàn),噴淋淬火7055鋁合金板材的殘余應(yīng)力相較浸沒淬火明顯降低,且隨著噴淋流量減小,殘余應(yīng)力逐漸降低。 

綜合來看：浸沒淬火由于冷卻過程中溫度場相對不均勻可能導(dǎo)致一些大型或復(fù)雜形狀的部件產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,而噴淋淬火可以減小因較大的溫度梯度而引起的殘余應(yīng)力增加和材料變形；噴淋淬火由于水流降低了沸騰階段換熱能力,整體冷卻速度一般會低于浸沒淬火,從而在一定程度上降低材料力學(xué)性能,具體取決于實際淬火參數(shù)；浸沒淬火操作簡單,適用于大部分的標(biāo)準(zhǔn)熱處理,噴淋淬火需要控制噴淋系統(tǒng)各項參數(shù),操作相對復(fù)雜,但能更精確地控制淬火過程；浸沒淬火更適合小型到中型構(gòu)件的熱處理,噴淋淬火更適合大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或具有特殊要求的構(gòu)件。因此,需要從構(gòu)件的應(yīng)用場合與性能要求、尺寸與形狀、材料特性與熱處理參數(shù)的匹配等方面綜合考慮來選擇合適的淬火工藝。 

2.   冷熱循環(huán)處理

冷熱循環(huán)處理是高強(qiáng)度鋁合金精密構(gòu)件常用的一種去應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸的熱處理方法,通過將構(gòu)件暴露在極端的高溫和低溫環(huán)境下使材料產(chǎn)生不均勻熱脹冷縮,從而產(chǎn)生局部的微塑性變形,這種變形有助于釋放累積的殘余應(yīng)力；此外,微塑性變形還會導(dǎo)致可動位錯的移動和固定位錯的纏結(jié)、增殖,這可以抑制材料進(jìn)一步的變形,從而提高構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。 

黃樹海等[19]研究發(fā)現(xiàn)：7A04鋁合金錐形件經(jīng)145 ℃×17 h的時效處理后,殘余應(yīng)力呈外壓內(nèi)拉狀態(tài),最大殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別出現(xiàn)在外表面和心部,切削加工后的大端口部圓度變化量為0.06~0.10 mm；時效后進(jìn)行兩次−140 ℃×0.8 h + 120 ℃×2 h冷熱循環(huán)處理,殘余應(yīng)力分布狀態(tài)未變,但應(yīng)力水平大幅降低,小端心部殘余拉應(yīng)力最大值由240.8 MPa降低至110.6 MPa,大端口部圓度變化量基本控制在0.04 m以內(nèi),尺寸穩(wěn)定性明顯提高。康鳳等[20]研究發(fā)現(xiàn)：對7A09-T6鋁合金長條構(gòu)件進(jìn)行兩次−140 ℃×1.2 h + 120 ℃×3 h冷熱循環(huán)處理后,表層殘余應(yīng)力明顯下降,最大殘余壓應(yīng)力由132 MPa降低至84 MPa,同時產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性大幅提高,加工后變形率穩(wěn)定控制在1.2×10−3。 

冷熱循環(huán)處理是減輕或消除殘余應(yīng)力的有效方法之一,雖然存在諸如設(shè)備要求高、操作復(fù)雜、處理時間長等局限性,但其能通過調(diào)整循環(huán)參數(shù)來優(yōu)化處理效果,從而滿足嚴(yán)格的航天應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),在先進(jìn)材料處理領(lǐng)域占有重要地位。 

3.   深冷處理

深冷處理,又稱“上坡淬火”,通過將淬火后材料迅速轉(zhuǎn)移至液氮中冷透,隨后快速加熱來抵消淬火引起的殘余應(yīng)力。其核心在于利用材料上坡升溫過程中表層與心部溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力誘發(fā)塑性變形,從而松弛淬火殘余應(yīng)力。 

研究[21-23]表明,為提升深冷處理對殘余應(yīng)力的釋放效果,低溫處理階段建議選用盡可能低的溫度,高溫處理階段應(yīng)盡可能的快速升溫,以使整個深冷過程的溫度梯度最大化。ROBINSON等[12]研究發(fā)現(xiàn),7050鋁合金鍛件在−196 ℃下低溫處理后置于200 ℃鹽浴中保溫10 min后,其殘余應(yīng)力最大值相比深冷處理前降低約30%,最小值降低約23%。王秋成等[24]將7050鋁合金板在液氮中進(jìn)行−196 ℃深冷處理,再浸入沸水或溫度分別為125,150,175 ℃的QCW-01高溫有機(jī)介質(zhì)中升溫,結(jié)果表明：經(jīng)不同升溫方式的深冷處理后,合金的殘余應(yīng)力均降低；相比沸水升溫,利用高溫有機(jī)介質(zhì)升溫的殘余應(yīng)力釋放效果顯著提升,同時保持良好的力學(xué)性能；隨著高溫有機(jī)介質(zhì)溫度升高,殘余應(yīng)力釋放效果提升,但力學(xué)性能會相應(yīng)降低。 

深冷處理通過精確控制溫度變化和處理時間,可以在不犧牲材料其他性能的情況下,通過局部微塑性變形,釋放殘余應(yīng)力。但是,該技術(shù)的關(guān)鍵在于通過產(chǎn)生足夠的熱應(yīng)力引發(fā)塑性變形,因此對于一些固溶度高、淬火強(qiáng)度較高的合金材料,深冷處理釋放應(yīng)力的效果會因為塑性變形難以發(fā)生而不明顯[25]。這就要求對不同材料特性有更深入的了解和更精細(xì)的工藝調(diào)整。 

4.   時效去應(yīng)力

當(dāng)鋁合金構(gòu)件經(jīng)受固溶處理和淬火后,材料的微觀結(jié)構(gòu)處于一種非平衡狀態(tài),在此時施加一道或數(shù)道時效去應(yīng)力工序,可以通過蠕變效應(yīng)進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力、減少后續(xù)的加工變形量[26]。 

BA等[27]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)T74時效處理后,7175鋁合金圓柱件的橫截面最大殘余拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均降低30%以上。武泳等[28]研究發(fā)現(xiàn),噴射成形7055鋁合金的殘余應(yīng)力在120 ℃時效處理0~4 h內(nèi)快速降低,在4~24 h內(nèi)緩慢降低,24 h后穩(wěn)定在90 MPa。黃果等[29]研究發(fā)現(xiàn)：噴射成形7055鋁合金構(gòu)件的殘余應(yīng)力在160 ℃時效0~2 h內(nèi)下降明顯,表面殘余應(yīng)力由220 MPa降至170 MPa,時效2~40 h內(nèi)下降緩慢,表面殘余應(yīng)力只小幅降低至150 MPa；在時效初期,合金強(qiáng)度較低易發(fā)生蠕變,從而釋放部分應(yīng)力,但隨著時效進(jìn)行,強(qiáng)化相析出,合金強(qiáng)度提升,蠕變減少,應(yīng)力釋放速率減慢。SUN等[30]提出一種新的7xxx系鋁合金板多級間斷時效去應(yīng)力方法：先進(jìn)行高升溫速率的多次間斷時效處理以降低殘余應(yīng)力,再進(jìn)行時效強(qiáng)化處理以保證力學(xué)性能。此方法具有良好的去應(yīng)力效果且保留了高的拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能,并且多級間斷時效去應(yīng)力處理后的殘余應(yīng)力最大降幅可達(dá)83%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)時效處理后（30%）。對于多級間斷時效去應(yīng)力,其機(jī)理為先快速升溫使外部與心部形成較大溫差,產(chǎn)生反向應(yīng)力和塑性變形從而釋放淬火殘余應(yīng)力。因此,升溫速率越快,溫差越大,多次間斷時效去應(yīng)力效果越顯著。 

綜上,時效去應(yīng)力工藝通過精確控制加熱溫度和保溫時間,有效降低殘余應(yīng)力,減少加工變形量,且不影響其原有力學(xué)性能。 

5.   結(jié)束語

目前,航天高強(qiáng)度7xxx系鋁合金熱處理殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)主要包括淬火、冷熱循環(huán)處理、深冷處理和時效去應(yīng)力。其中,淬火過程中的介質(zhì)溫度、種類和淬火方式均影響著殘余應(yīng)力的產(chǎn)生；冷熱循環(huán)處理調(diào)控效果好,但操作復(fù)雜、時間較長；深冷處理可以在保留其他力學(xué)性能的基礎(chǔ)上調(diào)控應(yīng)力,但在一定程度上受材料性能限制；時效去應(yīng)力通過精確控制參數(shù)可以在調(diào)控應(yīng)力的同時提高材料尺寸穩(wěn)定性。針對研究現(xiàn)狀提出以下問題： 

（1）缺乏整體控制策略。當(dāng)前的熱處理制度優(yōu)化主要集中于單一工藝,缺乏多道熱處理工藝的協(xié)同優(yōu)化以及涉及熱處理、機(jī)械加工等不同工序間的殘余應(yīng)力整體控制。 

（2）新裝備與新工藝發(fā)展緩慢。噴淋淬火、電磁加熱等新裝備和新工藝的發(fā)展較慢,一定程度上制約了熱處理殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)的創(chuàng)新。 

針對這些問題,以提升產(chǎn)品性能和可靠性,滿足航天領(lǐng)域大型復(fù)雜構(gòu)件性能要求為目的,提出未來發(fā)展方向,如下： 

（1）全流程實施殘余應(yīng)力預(yù)測與控制。未來應(yīng)重點圍繞“成形—熱處理—機(jī)械加工”制造全流程實施殘余應(yīng)力預(yù)測與控制,通過多工序間的協(xié)同優(yōu)化提升殘余應(yīng)力、力學(xué)性能、形位精度綜合調(diào)控能力。 

（2）新型熱處理技術(shù)應(yīng)用。推動新型熱處理技術(shù)的應(yīng)用,如電磁加熱、噴淋淬火等,以提高殘余應(yīng)力調(diào)控的效果和效率。 

通過熱處理調(diào)控殘余應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,支撐航天高強(qiáng)度7xxx系鋁合金產(chǎn)品的高性能、長壽命、可靠性制造,滿足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)