急速冷卻工藝超高強(qiáng)度鋁合金7075, 7050, 7055, 7085, 7060, 7064, 7068, 7072, 7150, 7175, 7475, 7076, 7277, 7178

　　鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、熱加工性優(yōu)異、耐腐蝕的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍、民領(lǐng)域。而超高強(qiáng)鋁合金一般指屈服強(qiáng)度在500MPa以上的鋁合金，常見的就是7XXX系超硬鋁。該系列鋁合金最初是在航空航天的應(yīng)用背景下研發(fā)的，目前已發(fā)展成為世界各國軍、民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中占到70-80%比重，并在很多領(lǐng)域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。隨著現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，核工業(yè)，交通運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對結(jié)構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求，集質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、高斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力于一身的新一代超高強(qiáng)鋁合金無疑是首選方案。因此超高強(qiáng)鋁合金一直是國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

　　首先，高品質(zhì)原材料是制備超高強(qiáng)鋁合金的保證。要使用高純度的工業(yè)原料，嚴(yán)格控制Fe、Si等雜質(zhì)元素含量，并進(jìn)行徹底的熔體精煉，將熔體中的氫含量、氧含量和堿金屬控制在較低水平，以提高合金斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。

　　其次，化學(xué)元素配比是制備超高強(qiáng)鋁合金的基礎(chǔ)。超高強(qiáng)鋁合金主要添加Zn、Mg、Cu等元素來強(qiáng)化鋁合金。這些合金元素一部分可以固溶入材料基體，使基體強(qiáng)化，稱為固溶強(qiáng)化；另一部分不溶于基體，形成第二相硬質(zhì)點(diǎn)，稱為第二相強(qiáng)化。然而，這兩種強(qiáng)化方式都是有限制的。隨著合金元素的升高材料強(qiáng)度升高，塑性會(huì)迅速降低并發(fā)生脆化。目前，唯一既提高鋁合金強(qiáng)度而同時(shí)提高塑性、韌性、抗應(yīng)力腐蝕能力的強(qiáng)化方式是細(xì)晶強(qiáng)化。

　　另外，消除鑄造中的冶金缺陷、偏析，細(xì)化晶粒，改善合金組織，是制備高強(qiáng)鋁合金的關(guān)鍵。傳統(tǒng)鑄造工藝難免會(huì)產(chǎn)生各種鑄造缺陷，如氧化物夾雜，宏觀偏析，氣孔，粗大晶粒等，這些缺陷往往會(huì)成為裂紋源，大幅降低了鋁合金的斷裂韌性。而超高強(qiáng)鋁合金，由于使用要求苛刻，這些微觀缺陷會(huì)對材料造成毀滅性破壞，是要嚴(yán)格控制的。

　　此外，超高強(qiáng)鋁合金熱處理技術(shù)也對合金的綜合性能影響很大。傳統(tǒng)的T6峰值熱處理可以獲得最高的強(qiáng)度，但是合金的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能差；為提高斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力，采用T73或T76過時(shí)效，卻會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度損失；采用RRA循環(huán)熱處理，可以既具有T6狀態(tài)的高強(qiáng)度，又有T73和T76狀態(tài)的耐腐蝕性能。因此，超高強(qiáng)鋁合金需采用更先進(jìn)、科學(xué)的制備工藝，而傳統(tǒng)熔鑄工藝嚴(yán)重制約其性能。

　　通項(xiàng)公司多年來一直致力于超高強(qiáng)鋁合金的引進(jìn)和經(jīng)銷，其生產(chǎn)商Alcoa在噴射成形（又稱噴射沉積）工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化形成了急速冷卻工藝，成功解決了超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度低、宏觀偏析嚴(yán)重、塑性差三個(gè)難題，在大幅度提高強(qiáng)度的同時(shí)保持合金具有優(yōu)良的韌性和抗蝕性。已引進(jìn)的高強(qiáng)鋁合金牌號(hào)有7075, 7050, 7055, 7085, 7060, 7064, 7068, 7072, 7150, 7175, 7475, 7076, 7277, 7178, 7278, 7090等。圖1為通項(xiàng)公司超高強(qiáng)鋁合金管材拉伸斷口的掃描電鏡照片，從圖中可以看到拉伸斷口有數(shù)個(gè)明顯的韌窩，表明材料韌性良好。急速冷卻工藝生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋁合金與常規(guī)鑄造的性能對比如表1所示。

圖1 超高強(qiáng)鋁合金拉伸斷口掃描電鏡照片

表1 急速冷卻與常規(guī)鑄造性能對比

　　　工藝   抗拉強(qiáng)度MPa   屈服強(qiáng)度MPa   硬度HB   延伸率%   晶粒尺寸μm   偏析   塑性   抗腐蝕能力  

傳統(tǒng)鑄造 7系   480-560      430-470       150      7%-8%       80-300   　嚴(yán)重    差        一般  

急速冷卻 7系   680-720      630-680       180      10-12%       3-25  無宏觀偏析 好   是普通7系的3-5倍  

　　由于急速冷卻的工藝特點(diǎn)，大大提高了材料過飽和程度，不僅可以制備現(xiàn)有牌號(hào)合金，還可制備遠(yuǎn)超國標(biāo)的更高合金含量、強(qiáng)度更高的鋁合金，如表2所示。

表2 通項(xiàng)超高強(qiáng)鋁合金性能表

　　　材質(zhì)   　　 　 密度g/cm3   抗拉強(qiáng)度MPa   屈服強(qiáng)度MPa   延伸率%   硬度 HB  

AlZn8Cu2.3Mg2Zr0.12    2.86        685            655          9-11%    195  

AlZn9Cu2.3Mg2Zr0.12    2.87        715            680          8-11%    200  

AlZn10Cu2.3Mg2Zr0.12   2.88        750            715           8-9%    210  

AlZn11Cu2.3Mg2Zr0.12   2.89        780            745           7-8%    215  

AlZn12Cu2.3Mg2Zr0.12   2.9         815            767             6%    220  

　　通項(xiàng)經(jīng)銷的超高強(qiáng)鋁合金晶粒細(xì)小，組織均勻、致密，無宏觀偏析，具有高強(qiáng)、高韌、高斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能，目前正在應(yīng)用于航空航天，軍工，機(jī)械重工，汽車行業(yè)，石油工業(yè)，高端體育器械等領(lǐng)域，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的大趨勢下，擁有超高強(qiáng)度和較小密度的超高強(qiáng)鋁合金必定會(huì)在更多領(lǐng)域種大放異彩。部分超高強(qiáng)鋁合金實(shí)物如圖2所示。

圖2 超高強(qiáng)鋁合金實(shí)物