分享：高强度7xxx系铝合金热处理调控残余应力研究进展

0.   引言

7xxx系铝合金具有高比强度、高比刚度以及良好的低温力学性能,广泛用于航空航天领域[1-3]。随着航天装备的不断大型化和轻量化,7xxx系铝合金构件普遍呈尺寸规格大、形状复杂、薄壁弱刚性等结构特点,在加工和使用中易产生强烈的残余应力效应,从而出现机械加工变形、热处理开裂、存储及服役中尺寸精度下降等问题。这些由残余应力引发的问题不仅影响产品的加工质量,还可能导致失效。因此,如何有效调控制造过程中的残余应力成为亟待解决的关键难题。 

热处理是调控残余应力的有效手段之一,其核心在于通过精确控制加热和冷却过程来调整金属内部的应力状态,常见方法包括淬火、冷热循环处理、深冷处理、时效去应力处理等。淬火处理的原理是通过改善构件冷却过程温度场不均匀性来降低热应力,不同的淬火介质、介质温度和淬火方式等对残余应力的影响各不相同,选择合适的淬火参数至关重要；冷热循环处理的原理是通过交替的加热和冷却过程逐步释放材料内部残余应力,其优势在于可以在释放应力的同时提高材料的尺寸稳定性；深冷处理通过将淬火态铝合金置于极低温度下使其快速上坡升温诱发塑性变形来调整内部应力状态,其关键在于最大限度地提高冷热温差并加剧上坡温度场不均匀性；时效去应力处理一般通过长时间自然时效或人工加速时效来调控残余应力,其操作简便,但调控效果受材料成分和初始应力状态的影响较大。 

不同的热处理方法各有优势和局限性,为了给相关研究人员提供参考,作者通过调研国内外研究文献并结合团队近年来研究成果,系统总结了淬火、冷热循环处理、深冷处理、时效去应力等热处理方法在调控航天高强度7xxx系铝合金残余应力方面的研究进展。 

1.   淬火处理

高强度7xxx系铝合金大规格复杂构件的生产,多采用“厚大坯材→粗加工→固溶→淬火→时效→精加工”制造流程。其中,淬火通过快速冷却来固定合金中的溶质元素以获得高的过饱和度,但快速不均匀的冷却也导致了残余应力产生。淬火过程中残余应力的产生与介质温度、介质种类以及淬火方式3个主要因素有关,这些因素的共同作用决定了材料内部残余应力的大小和分布情况。 

1.1   介质温度

7xxx系铝合金淬火过程主要包括蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段3个阶段。在蒸汽膜阶段,材料表面被一层蒸汽膜覆盖,热传递效率低下,冷却速率较慢；在沸腾阶段,蒸汽膜破裂,材料表面直接与水接触,迅速发生热量交换和冷却；在对流阶段,热传递主要通过水流对流进行,冷却速率相对平稳。通过调控介质温度来减小残余应力的机制为增加蒸汽膜阶段稳定性,抑制沸腾阶段出现,减缓冷却速率,均匀温度场。 

水由于具有廉价、易获得、无污染等优点,成为7xxx系铝合金最常用的淬火介质,实际生产中大多通过调节水温来控制材料冷却速率,从而实现对淬火残余应力的控制[4]。ROBINSON等[5]研究发现,相较于冷水（小于20 ℃）淬火,使用60 ℃水淬火后7449铝合金的残余应力降低了约35%,而强度仅轻微降低,使用100 ℃沸水淬火后残余应力降低了90%以上,但同时强度也明显降低。这表明适度提高水温可以在不过度牺牲材料强度的前提下,有效减小残余应力。JEANMART等[6]研究发现,与20 ℃水淬相比,80 ℃水淬后7075铝合金70 mm厚板表面最大残余压应力和心部最大残余拉应力的降幅均达到了60％。李亚楠等[7]研究发现,随着淬火水温从20 ℃逐步提升至80 ℃,7055铝合金板材的残余应力虽仍保持外压内拉的分布特征,但其大小显著降低,降幅达到69%。喷射成形7055铝合金在航天领域的应用日益广泛,但是在制造过程的淬火阶段产生了残余应力,极易引发构件变形或开裂。针对该问题,研究人员开展了大量的研究。闻强苗等[8]研究发现：用室温（25 ℃）水淬火后,喷射成形7055铝合金表面存在严重的残余压应力,纵向和横向残余压应力最大值分别达到352,302 MPa；将淬火水温提高至60,80 ℃后,纵向残余压应力最大值分别降低了14%和25%,横向残余压应力最大值分别降低12%和31%；提高淬火水温对合金双级时效硬化行为及T74时效态拉伸性能无明显影响,可以在不牺牲材料性能的前提下优化残余应力。姜建堂等[9]研究发现,喷射成形7055铝合金经20 ℃水淬时开裂敏感区温度迅速降低,热致拉应力在极短时间内达到峰值210 MPa,而经80 ℃水淬时开裂敏感区的温度降低较慢,最大拉应力仅为125 MPa,这表明提升淬火水温可以有效降低应力集中,从而减少由残余应力导致的开裂问题。 

根据不同的铝合金成分和构件规格,选择合适的水温进行淬火是至关重要的,适度提高水温可以有效减小残余应力,但过高的水温可能会导致材料强度下降[10-11]。 

1.2   介质种类

铝合金热处理生产中常用的淬火介质包括水、盐水（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质,具有小黏度和大比热容,能够提供较高的冷却能力,但同时可能导致大的残余应力和变形量；盐水能在合金表面形成蒸汽膜的同时析出盐晶体,导致蒸汽膜不断破裂,从而提高冷却能力,但由于冷却速率过快,可能导致残余应力过大；PAG溶液在高温下脱溶PAG聚合物,可以在合金表面形成减缓冷却速率的膜,与水淬相比,PAG溶液淬火可以使材料温度场更均匀,从而降低残余应力。ROBINSON等[13]研究发现,室温条件下,用含体积分数16%~30% PAG溶液淬火后7449铝合金的残余应力相比水淬后更小。周峻峰等[14]研究了7050铝合金锻件在不同淬火介质下的残余应力,结果表明：残余应力由高到低依次为质量分数10% NaCl溶液、水、体积分数5%~40% PAG溶液；随着PAG体积分数增加,残余应力减小。李亚楠等[7]研究发现,相较水淬,体积分数5% PAG溶液淬火后,7055铝合金厚板的最大残余应力降低约26.7%。曹海龙等[15]研究发现,随着PAG体积分数由5%增加至15%,7055铝合金厚板纵向和横向残余应力分别降低约52%,47%。 

淬火介质的选择对铝合金残余应力有着重要影响。综合现有研究来看,与常规水淬相比,盐水淬火虽然能够提高冷却速率,但同时也会导致更高的残余应力。PAG溶液淬火能够降低残余应力,改善其分布均匀性,并且调控效果和安全性较高,获得了广泛的关注和快速推广应用。 

1.3   淬火方式

目前,铝合金构件在进行固溶处理时常用的淬火方式包括浸没淬火和喷淋淬火两种。浸没淬火通过将加热的铝合金构件直接浸入冷却介质（通常是水）中进行冷却,这种方法传热效率相对较高,能够较快将铝合金冷却,从而固定过饱和固溶体状态；喷淋淬火通过对铝合金构件表面喷淋冷却介质来进行冷却,这种方法冷却速率相对较低,但可以通过调节喷淋参数来控制冷却过程,更能适应复杂形状或大型构件的淬火需求。 

龚海等[16]研究了喷淋、浸没两种淬火方式对7075铝合金板材残余应力的影响,结果表明：淬火试样的残余应力均呈外压内拉状态,浸没淬火试样的最大残余压应力和拉应力分别为130,90 MPa,分别比喷淋淬火试样高出60%和74%；采用喷淋淬火时板材表层和心部温差较小且较为稳定,说明喷淋淬火过程中板材不同位置温度梯度较小,有效抑制了残余应力的产生。李淑明等[17]研究发现,相比浸没淬火,不同水温下喷淋淬火后7075铝合金板材的残余应力降低了36%~42%。LI等[18]研究发现,喷淋淬火7055铝合金板材的残余应力相较浸没淬火明显降低,且随着喷淋流量减小,残余应力逐渐降低。 

综合来看：浸没淬火由于冷却过程中温度场相对不均匀可能导致一些大型或复杂形状的部件产生较大的残余应力,而喷淋淬火可以减小因较大的温度梯度而引起的残余应力增加和材料变形；喷淋淬火由于水流降低了沸腾阶段换热能力,整体冷却速度一般会低于浸没淬火,从而在一定程度上降低材料力学性能,具体取决于实际淬火参数；浸没淬火操作简单,适用于大部分的标准热处理,喷淋淬火需要控制喷淋系统各项参数,操作相对复杂,但能更精确地控制淬火过程；浸没淬火更适合小型到中型构件的热处理,喷淋淬火更适合大型、结构复杂或具有特殊要求的构件。因此,需要从构件的应用场合与性能要求、尺寸与形状、材料特性与热处理参数的匹配等方面综合考虑来选择合适的淬火工艺。 

2.   冷热循环处理

冷热循环处理是高强度铝合金精密构件常用的一种去应力、稳定尺寸的热处理方法,通过将构件暴露在极端的高温和低温环境下使材料产生不均匀热胀冷缩,从而产生局部的微塑性变形,这种变形有助于释放累积的残余应力；此外,微塑性变形还会导致可动位错的移动和固定位错的缠结、增殖,这可以抑制材料进一步的变形,从而提高构件的尺寸稳定性。 

黄树海等[19]研究发现：7A04铝合金锥形件经145 ℃×17 h的时效处理后,残余应力呈外压内拉状态,最大残余压应力和拉应力分别出现在外表面和心部,切削加工后的大端口部圆度变化量为0.06~0.10 mm；时效后进行两次−140 ℃×0.8 h + 120 ℃×2 h冷热循环处理,残余应力分布状态未变,但应力水平大幅降低,小端心部残余拉应力最大值由240.8 MPa降低至110.6 MPa,大端口部圆度变化量基本控制在0.04 m以内,尺寸稳定性明显提高。康凤等[20]研究发现：对7A09-T6铝合金长条构件进行两次−140 ℃×1.2 h + 120 ℃×3 h冷热循环处理后,表层残余应力明显下降,最大残余压应力由132 MPa降低至84 MPa,同时产品尺寸稳定性大幅提高,加工后变形率稳定控制在1.2×10−3。 

冷热循环处理是减轻或消除残余应力的有效方法之一,虽然存在诸如设备要求高、操作复杂、处理时间长等局限性,但其能通过调整循环参数来优化处理效果,从而满足严格的航天应用标准,在先进材料处理领域占有重要地位。 

3.   深冷处理

深冷处理,又称“上坡淬火”,通过将淬火后材料迅速转移至液氮中冷透,随后快速加热来抵消淬火引起的残余应力。其核心在于利用材料上坡升温过程中表层与心部温度梯度产生的热应力诱发塑性变形,从而松弛淬火残余应力。 

研究[21-23]表明,为提升深冷处理对残余应力的释放效果,低温处理阶段建议选用尽可能低的温度,高温处理阶段应尽可能的快速升温,以使整个深冷过程的温度梯度最大化。ROBINSON等[12]研究发现,7050铝合金锻件在−196 ℃下低温处理后置于200 ℃盐浴中保温10 min后,其残余应力最大值相比深冷处理前降低约30%,最小值降低约23%。王秋成等[24]将7050铝合金板在液氮中进行−196 ℃深冷处理,再浸入沸水或温度分别为125,150,175 ℃的QCW-01高温有机介质中升温,结果表明：经不同升温方式的深冷处理后,合金的残余应力均降低；相比沸水升温,利用高温有机介质升温的残余应力释放效果显著提升,同时保持良好的力学性能；随着高温有机介质温度升高,残余应力释放效果提升,但力学性能会相应降低。 

深冷处理通过精确控制温度变化和处理时间,可以在不牺牲材料其他性能的情况下,通过局部微塑性变形,释放残余应力。但是,该技术的关键在于通过产生足够的热应力引发塑性变形,因此对于一些固溶度高、淬火强度较高的合金材料,深冷处理释放应力的效果会因为塑性变形难以发生而不明显[25]。这就要求对不同材料特性有更深入的了解和更精细的工艺调整。 

4.   时效去应力

当铝合金构件经受固溶处理和淬火后,材料的微观结构处于一种非平衡状态,在此时施加一道或数道时效去应力工序,可以通过蠕变效应进一步降低残余应力、减少后续的加工变形量[26]。 

BA等[27]研究发现,经T74时效处理后,7175铝合金圆柱件的横截面最大残余拉应力、压应力均降低30%以上。武泳等[28]研究发现,喷射成形7055铝合金的残余应力在120 ℃时效处理0~4 h内快速降低,在4~24 h内缓慢降低,24 h后稳定在90 MPa。黄果等[29]研究发现：喷射成形7055铝合金构件的残余应力在160 ℃时效0~2 h内下降明显,表面残余应力由220 MPa降至170 MPa,时效2~40 h内下降缓慢,表面残余应力只小幅降低至150 MPa；在时效初期,合金强度较低易发生蠕变,从而释放部分应力,但随着时效进行,强化相析出,合金强度提升,蠕变减少,应力释放速率减慢。SUN等[30]提出一种新的7xxx系铝合金板多级间断时效去应力方法：先进行高升温速率的多次间断时效处理以降低残余应力,再进行时效强化处理以保证力学性能。此方法具有良好的去应力效果且保留了高的拉伸强度等力学性能,并且多级间断时效去应力处理后的残余应力最大降幅可达83%,远远高于常规时效处理后（30%）。对于多级间断时效去应力,其机理为先快速升温使外部与心部形成较大温差,产生反向应力和塑性变形从而释放淬火残余应力。因此,升温速率越快,温差越大,多次间断时效去应力效果越显著。 

综上,时效去应力工艺通过精确控制加热温度和保温时间,有效降低残余应力,减少加工变形量,且不影响其原有力学性能。 

5.   结束语

目前,航天高强度7xxx系铝合金热处理残余应力调控技术主要包括淬火、冷热循环处理、深冷处理和时效去应力。其中,淬火过程中的介质温度、种类和淬火方式均影响着残余应力的产生；冷热循环处理调控效果好,但操作复杂、时间较长；深冷处理可以在保留其他力学性能的基础上调控应力,但在一定程度上受材料性能限制；时效去应力通过精确控制参数可以在调控应力的同时提高材料尺寸稳定性。针对研究现状提出以下问题： 

（1）缺乏整体控制策略。当前的热处理制度优化主要集中于单一工艺,缺乏多道热处理工艺的协同优化以及涉及热处理、机械加工等不同工序间的残余应力整体控制。 

（2）新装备与新工艺发展缓慢。喷淋淬火、电磁加热等新装备和新工艺的发展较慢,一定程度上制约了热处理残余应力调控技术的创新。 

针对这些问题,以提升产品性能和可靠性,满足航天领域大型复杂构件性能要求为目的,提出未来发展方向,如下： 

（1）全流程实施残余应力预测与控制。未来应重点围绕“成形—热处理—机械加工”制造全流程实施残余应力预测与控制,通过多工序间的协同优化提升残余应力、力学性能、形位精度综合调控能力。 

（2）新型热处理技术应用。推动新型热处理技术的应用,如电磁加热、喷淋淬火等,以提高残余应力调控的效果和效率。 

通过热处理调控残余应力技术的发展和应用,支撑航天高强度7xxx系铝合金产品的高性能、长寿命、可靠性制造,满足日益严苛的应用需求。

文章来源——材料与测试网