非等溫回歸再時(shí)效對(duì)7055鋁合金中厚板的厚向組織及性能均勻性的影響

馮 迪，張新明，劉勝膽

(1.江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；3.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu合金經(jīng)合適的熱處理后具有較高的比強(qiáng)度和良好的斷裂韌性、抗疲勞、耐腐蝕等性能，因此，自20世紀(jì)30年代以來(lái)就被用作商業(yè)飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料[1]。7055-T7751態(tài)中厚板因其突出的綜合性能，已被歐美用于大飛機(jī)主承力件的生產(chǎn)和制造。T7751制度源自回歸再時(shí)效(RRA)[2]技術(shù)，其核心理論基礎(chǔ)為預(yù)析出相在高溫(低于固溶溫度)下的回溶行為。預(yù)析出相的回溶一方面保證回歸階段晶界相的充分?jǐn)嚅_同時(shí)抑制晶內(nèi)相粗化；另一方面可以提高基體溶質(zhì)原子過飽和度，保證再時(shí)效階段有足夠的時(shí)效強(qiáng)化動(dòng)力[3-9]。

由于T7751制度的保密措施，國(guó)內(nèi)外對(duì)該制度的具體時(shí)效參數(shù)進(jìn)行了大量研究，提出和建立了基于回歸溫度和時(shí)間以及預(yù)時(shí)效程度[10]，回歸加熱速率等因素的技術(shù)原型[11-12]。上述技術(shù)原型是通過實(shí)驗(yàn)用小尺寸樣品在等溫條件下組織與性能的關(guān)系研究得到的，未考慮諸如實(shí)際產(chǎn)品尺寸、熱處理設(shè)備功率以及各時(shí)效處理階段之間的相互關(guān)系等客觀因素，忽視大尺寸/厚截面構(gòu)件在時(shí)效中基本處于非等溫狀態(tài)這一客觀事實(shí)[13-15]。非等溫狀態(tài)下，擴(kuò)散系數(shù)、形核驅(qū)動(dòng)力和形核勢(shì)壘等都將受到升/降溫速率的影響[16-18]。對(duì)于大飛機(jī)計(jì)劃迫切需求的超高強(qiáng)7055鋁合金中厚板，由于導(dǎo)熱問題的存在，其熱處理過程不可避免地存在板材本身的升溫和降溫過程，且板材厚向不同層之間存在升/降溫速率的不同，即同一加熱和冷卻速率條件下，板材表層升/降溫速率快于心層。這種溫度場(chǎng)的不均勻性在要求高溫短時(shí)的回歸階段體現(xiàn)的尤為突出，其影響隨著厚板厚度的增加而增加，并最終導(dǎo)致組織及性能的厚向不均勻性。

針對(duì)7055鋁合金中厚板回歸過程中第二相的回溶與析出不均勻造成的材料組織和性能不均勻這一熱處理難題，本文作者以非等溫回歸動(dòng)力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)[19]，考慮回歸升溫、降溫速率的優(yōu)化匹配對(duì)強(qiáng)化相回溶/析出均勻性的影響規(guī)律，通過強(qiáng)度、斷裂韌性、耐蝕性能比較以及不同層的微觀組織對(duì)比研究，提出“非等溫回歸再時(shí)效”概念，建立提高7055鋁合金中厚板高向組織及性能均勻性的實(shí)用熱處理制度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 非等溫回歸動(dòng)力學(xué)

基于等動(dòng)力學(xué)假設(shè)及LSW理論的“非等溫回歸動(dòng)力學(xué)模型”[19]如式(1)所示：

式中：t*代表依賴于溫度的時(shí)間常數(shù)；Tr和tr分別為參考回歸溫度和回歸時(shí)間；對(duì)應(yīng)合金的優(yōu)化回歸制度參數(shù)；Q為合金析出相的長(zhǎng)大/粗化激活能，R為摩爾氣體常數(shù)。T(t)為中厚板在某一非等溫回歸制度下的實(shí)測(cè)溫度-時(shí)間關(guān)系函數(shù)；無(wú)量綱參數(shù)S和Sc為Scheil積分值，Sc定義為標(biāo)準(zhǔn)回歸程度(由所選擇的參考回歸制度決定)，S定義為給定非等溫回歸制度對(duì)應(yīng)的有效回歸程度。

通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，可以得到任意非等溫回歸條件下，板材的有效回歸程度S與標(biāo)準(zhǔn)回歸程度Sc之間的關(guān)系，從而確定在該制度下達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)回歸程度所需的時(shí)間及該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微觀組織特征(相平均尺寸)。本文作者對(duì)200 mm×150 mm×30 mm規(guī)格的7055中厚板首先進(jìn)行105℃、24 h預(yù)時(shí)效處理，再以3℃/min的回歸加熱速率升溫至190℃保溫。回歸結(jié)束后分別進(jìn)行水冷、風(fēng)冷、空冷以及隨爐冷卻處理。在每種冷卻過程中板材測(cè)量表層和心層的冷卻溫度-時(shí)間關(guān)系曲線Tb(t)和Tx(t)，并取7055鋁合金析出相長(zhǎng)大/粗化激活能為115.2 kJ/mol[19]，計(jì)算每種加熱-冷卻處理方式對(duì)應(yīng)表層和心層的有效回歸程度與參考程度的關(guān)系Sb/Sc和Sx/Sc。Sb/Sx越接近，則說明此種加熱-冷卻方式下，板材厚向的非等溫回歸效果越均勻。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為7055鋁合金(7.68Zn，2.12Mg，2.0Cu，0.12Zr，0.055Fe，0.034Si，其余 Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%))30mm熱軋板，板材已經(jīng)過工業(yè)固溶及預(yù)拉伸。本文作者對(duì)該狀態(tài)板材進(jìn)行不同回歸加熱及冷卻速率下的回歸(再時(shí)效)處理。切取不同熱處理制度下的板材試樣進(jìn)行分層性能測(cè)試和組織分析，分層取樣及測(cè)溫方式見圖1?；貧w加熱或冷卻時(shí)，將熱電偶埋入板材不同層的中部位置，由多通道溫控儀測(cè)量其升、降溫溫度場(chǎng)，測(cè)溫誤差為±3℃。硬度測(cè)試在HV-10B小幅度維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，載荷為29.4 N，加載時(shí)間15 s；電導(dǎo)率測(cè)試在7501渦流導(dǎo)電儀上進(jìn)行。常溫拉伸在CSS-44100型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣按GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)制備，拉伸方向?yàn)檐埾?L)。制備L-T取向的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣測(cè)量合金的斷裂韌性。在表層和心層取回歸態(tài)TEM樣品觀察比較不同層回歸組織的均勻性。組織觀察在TecnaiG220型分析電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200 kV，透射電鏡樣品直徑為3 mm，厚度0.08 mm，在含20%HNO3(體積分?jǐn)?shù))的甲醇溶液中進(jìn)行雙噴減薄，溫度控制在-25℃以下，電壓為 15～20 V。

圖1 取樣及測(cè)溫方式示意圖(板材厚度為30 mm)Fig.1 Schematic diagram of sampling and temperature measurement(plate thickness is 30mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 升溫溫度場(chǎng)的回歸程度與非等溫回歸時(shí)間的關(guān)系

圖2所示為7055鋁合金中厚板在回歸階段的升溫溫度-時(shí)間曲線。由圖2可知，各層達(dá)到預(yù)設(shè)回歸溫度的時(shí)間有明顯差異，中厚板溫度場(chǎng)的不均勻性主要存在于板材自升溫階段。

由于升溫速率與析出相的臨界回溶尺寸密切相關(guān)，即使較小的回歸加熱速率差異也可能導(dǎo)致析出相的回溶/粗化程度的較大變化[3,7-8]。對(duì)各層的溫度-時(shí)間關(guān)系曲線做Boltzman形式的擬合(見圖2)，利用非等溫回歸動(dòng)力學(xué)模型(見式(1))，計(jì)算得到各層組織的回歸效果與回歸時(shí)間的關(guān)系見圖3(以各層的回歸效果與參考制度[19-20]下回歸效果之比的形式)。由圖3可知，Scheil積分差異在升溫階段即出現(xiàn)。當(dāng)非等溫回歸時(shí)間為30min時(shí)，表層達(dá)到預(yù)設(shè)回歸溫度(見圖2)，此時(shí)，表層的Scheil積分已超過0.2，即表層的回歸程度已經(jīng)超過參考制度下回歸效果的20%，而此時(shí)1/4層和心層的回歸效果只達(dá)到參考制度下回歸效果的15%和13%。隨著回歸時(shí)間的延長(zhǎng)，各層都逐漸達(dá)到預(yù)設(shè)的回歸溫度(190℃)，Scheil積分的差異不再繼續(xù)擴(kuò)大。

圖2 7055鋁合金中厚板不同層的升溫溫度-時(shí)間關(guān)系曲線(回歸階段)Fig.2 Temperature increment rising-time curves of different layers in medium-thick 7055 aluminum alloy plate(retrogression stage)

圖3 7055鋁合金中厚板不同層的Scheil積分-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Scheil integral-time curves of different layers in medium-thick 7055 aluminum alloy plate:(a)Heating and isothermy stage;(b)Heating stage

2.2 降溫溫度場(chǎng)的回歸程度與非等溫回歸時(shí)間的關(guān)系

在4種回歸冷卻方式下，分別測(cè)量7055鋁合金中厚板表層和心層溫度隨冷卻時(shí)間的變化關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨爐冷卻條件下，需要約90 min才能從回歸溫度(190℃)冷卻至再時(shí)效溫度(120℃)，空冷和風(fēng)冷條件分別需要25 min和7 min，而水冷則以近似線性的方式降溫(見圖4(c))。以Bolztman函數(shù)擬合隨爐冷、空冷和風(fēng)冷的溫度-時(shí)間曲線，以線性方程擬合水冷溫度-時(shí)間曲線，計(jì)算得到不同冷卻方式下表層和心層組織的回歸效果與回歸時(shí)間的關(guān)系(以各層的回歸效果與參考制度下回歸效果之比的形式，即Scheil積分形式給出)，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨爐冷和空冷冷卻階段的回歸程度較風(fēng)冷和水冷方式明顯。在隨爐冷卻條件下，心層在冷卻階段的回歸程度比表層高出約0.1(Scheil積分)，即隨爐冷卻對(duì)升溫階段產(chǎn)生的不均勻性的補(bǔ)償已經(jīng)達(dá)到參考制度下回歸效果的10%(見圖5(a))?？绽錀l件下，其冷卻階段的回歸效果比表層高出約0.02(Scheil積分)，即空冷冷卻對(duì)升溫階段產(chǎn)生的不均勻性的補(bǔ)償為參考制度下回歸效果的2%(見圖5(b))。而風(fēng)冷和水冷條件下，冷卻速率很快，其回歸效果的差異分別只有約0.003和0.001(Scheil積分)，即這兩種冷卻方式對(duì)升溫階段產(chǎn)生的不均勻性的補(bǔ)償僅達(dá)到參考制度下回歸效果的0.3%和0.1%，且回歸程度較低(見圖5(c))和(d))。因此，風(fēng)冷和水冷條件下，冷卻階段回歸效果不均勻性對(duì)升溫階段不均勻性的補(bǔ)償可以忽略不計(jì)。

圖4 7055鋁合金中厚板不同層的溫度-時(shí)間關(guān)系曲線(回歸降溫階段)Fig.4 Temperature-time curves of different layers in medium-thick 7055 aluminum alloy plate(cooling stage in retrogression):(a)Furnace cooling;(b)Air cooling;(c)Force-air cooling;(d)Water cooling

2.3 升/降溫溫度場(chǎng)的優(yōu)化匹配

由文獻(xiàn)[19]可知，7055鋁合金中厚板的優(yōu)化等效回歸時(shí)間對(duì)應(yīng)Scheil積分為1.1左右(相對(duì)于參考回歸制度)。在考慮降溫處理時(shí)，此等效時(shí)間應(yīng)該包括升溫、保溫和降溫時(shí)間，即“非等溫回歸再時(shí)效”總時(shí)間的確立應(yīng)該遵循升溫、保溫和降溫階段的總Scheil積分為1.1的前提條件下，并在此范圍內(nèi)最大可能的縮小回歸效果的厚向不均勻性。

由圖5(a)和(b)可知，隨爐冷卻和空冷情況下Scheil積分的最大值分別為0.55和0.125(表層)，那么隨爐冷和空冷條件下，7055鋁合金中厚板升溫及保溫階段的Scheil積分應(yīng)分別為0.55和0.975左右。根據(jù)這一積分值確定隨爐冷和空冷條件下，非等回歸的升溫和保溫時(shí)間(見圖3(a))分別為47 min和70 min左右。此時(shí)，由于升溫溫度場(chǎng)的不均勻性導(dǎo)致回歸效果差異分別為0.1和0.08(見圖3(a))，分別對(duì)應(yīng)參考制度下回歸效果的10%和8%。由此可見，隨爐冷可以完全補(bǔ)償由升溫帶來(lái)的高向組織不均勻性，而空冷可以將該不均勻性差異縮小至0.06，即縮小至參考制度下回歸效果的6%。

因此，對(duì)中厚板厚向均勻性有明顯改善作用的“非等溫回歸再時(shí)效”制度為(105℃，24 h)+(190℃，70 min)(3℃/min升溫速率，70 min包含加熱時(shí)間)+(120℃，24 h)(空冷25 min至120℃)。

圖5 7055鋁合金中厚板不同層的Scheil積分-時(shí)間關(guān)系曲線(回歸降溫階段)Fig.5 Scheil integral-time curves of different layers in 7055 aluminum alloy medium thick plate(cooling stage in retrogression):(a)Furnace cooling;(b)Air cooling;(c)Force-air cooling;(d)Water cooling

2.4 非等溫回歸再時(shí)效對(duì)7055鋁合金中厚板組織、性能及厚向均勻性的影響

4種非等溫回歸再時(shí)效制度下，7055鋁合金中厚板高向電導(dǎo)率和硬度的對(duì)比(其中從1到5或從9到5代表從表層至心層)見圖6。由圖6可知，中厚板的硬度從表層到心層逐漸減小，而電導(dǎo)率則從表層到心層逐漸增加，且電導(dǎo)率的變化幅度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硬度值的變化幅度。

對(duì)7055鋁合金中厚板，隨爐冷卻條件下，無(wú)論是硬度或是電導(dǎo)率的差異都是最小的，即不均勻性最小。然而，由于降溫速率太慢，7055鋁合金中厚板在高溫停留的時(shí)間長(zhǎng)(90 min)，導(dǎo)致其晶內(nèi)析出相粗化嚴(yán)重，使得硬度大幅度下降，相應(yīng)的電導(dǎo)率大幅度上升。此種冷卻方式雖然完全彌補(bǔ)了升溫速率帶來(lái)的厚向組織不均勻性，但是降低了材料的力學(xué)性能?？绽錀l件下，7055鋁合金樣品的厚向均勻性僅次于隨爐冷樣品，而冷卻速率最快的水冷試樣，其不均勻性最大。由此可見，降低冷卻速率可以補(bǔ)償或縮小由回歸升溫速率帶來(lái)的性能不均勻性，且不均勻性的補(bǔ)償效果隨著冷卻速率的降低而增加。但是冷卻速率太低會(huì)導(dǎo)致7055鋁合金硬度的急劇下降。從硬度和電導(dǎo)率的結(jié)果比較來(lái)看，回歸后空冷冷卻既縮小了高向組織的不均勻性，又保證了7055鋁合金中厚板的力學(xué)性能。

圖7所示為不同回歸冷卻條件下7055鋁合金中厚板不同層強(qiáng)度的對(duì)比。圖中虛線所示為AMS 4206A[22]標(biāo)準(zhǔn)性能。由圖7可知，隨著冷卻速率的加快，抗拉強(qiáng)度厚向差異逐漸由隨爐冷條件的26 MPa增加至水冷條件下樣品的50 MPa，屈服強(qiáng)度厚向差異由14 MPa增加至46 MPa。值得注意的是，板材不同層的硬度值和強(qiáng)度值并不遵循正比關(guān)系，這是因?yàn)椴煌瑢犹├找蜃硬煌琜21]。文獻(xiàn)[21]中報(bào)道30 mm厚7055鋁合金軋制板材表層和心層的泰勒因子分別為3.06和3.11，即在沒有析出相不均勻性存在的前提下，7055鋁合金中厚板的強(qiáng)度差異為 3.11τ1-3.06τ2(其中τ1和τ2分別為7055鋁合金中厚板心層和表層的臨界分切應(yīng)力，臨界分切應(yīng)力與析出強(qiáng)化程度相關(guān))。當(dāng)回歸加熱、冷卻速率引入析出強(qiáng)化不均勻性時(shí)，7055鋁合金中厚板厚向性能差異就由泰勒因子和析出相不均勻性兩個(gè)因素共同決定。對(duì)于隨爐冷樣品，析出相粗化嚴(yán)重，厚向組織均勻性在4種冷卻速率中最高，因此，各層的臨界分切應(yīng)力差異最小(由硬度值比較可以看出)，此時(shí)泰勒因子起主導(dǎo)作用，高向性能的差異基本等于泰勒因子差值乘以臨界分切應(yīng)力，其厚向性能不均勻性最小，約為20～25 MPa左右。隨著冷卻速率的增加，析出強(qiáng)化作用的不均勻性不斷增大，導(dǎo)致各層臨界分切應(yīng)力(τ1和τ2)逐漸增加的同時(shí)，各層臨界分切應(yīng)力的差值(τ1-τ2)也逐漸增加。由于泰勒因子保持不變，此時(shí)組織不均勻性起主導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致厚向強(qiáng)度不均勻性不斷增大，因此，7055鋁合金中厚板強(qiáng)度的厚向不均勻性隨著冷卻速率的增加而增大。

圖6 7055鋁合金中厚板不同層試樣的硬度和電導(dǎo)率Fig.6 Hardness and conductivity of different layer samples in 7055 aluminum alloy medium thick plate:(a)Hardness;(b)Electrical conductivity

圖7 7055鋁合金中厚板不同層試樣的強(qiáng)度Fig.7 Strength of different layer samples in 7055 aluminum alloy medium thick plate:(a)Tensile strength;(b)Yield strength

綜合考慮板材的性能及厚向均勻性，取(105℃，24 h)+(190℃，70 min)(3℃/min升溫速率，70 min包含加熱時(shí)間)+(120℃，24 h)(空冷25 min至120℃)作為7055鋁合金中厚板的最佳非等溫回歸再時(shí)效制度，其抗拉強(qiáng)度的均勻性比水冷條件下的提高了近50%。經(jīng)該非等溫回歸再時(shí)效制度處理后，7055鋁合金板材表層和心層的剝落腐蝕形貌對(duì)比見圖8。由圖8可知，表層和心層抗腐蝕能力的不均勻性較低。EXCO溶液中浸泡6 h，兩層樣品都只出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象(見圖8(a)和(e))。腐蝕12 h后出現(xiàn)局部鼓泡現(xiàn)象，其中表層的鼓泡現(xiàn)象較心層略微嚴(yán)重(見圖8(b))，心層局部位置仍保持點(diǎn)蝕特征(見圖8(f))。表層剝落腐蝕程度深的部分原因來(lái)自于板材表層更高的再結(jié)晶程度(形變和固溶再結(jié)晶)。浸泡24 h后，試樣出現(xiàn)少量爆皮，有片狀腐蝕層突起于試樣表面(見圖8(c)和(g))，該現(xiàn)象在腐蝕48 h后逐漸加深，表現(xiàn)為表面凸起物的尺寸變大。無(wú)論表層或心層試樣，剝蝕都未深入合金內(nèi)部，合金經(jīng)非等溫回歸再時(shí)效處理后表現(xiàn)出較高的抗剝落腐蝕能力。其剝蝕等級(jí)在EB-級(jí)水平，表層樣品的剝蝕程度稍高于心層。

表1 7055鋁合金中厚板非等溫回歸再時(shí)效狀態(tài)(N-RRA)與7055-T7751狀態(tài)性能[22]比較Table 1 Properties comparison between non-isothermal retrogression and re-ageing(N-RRA)and T7751[22]states of 7055 aluminum medium thick plate

非等溫回歸再時(shí)效制度下7055鋁合金中厚板力學(xué)、腐蝕性能與AMS 4206A[22]標(biāo)準(zhǔn)性能的對(duì)比見圖7及表1所示。對(duì)比性能可知，7055鋁合金板材經(jīng)“非等溫回歸再時(shí)效”處理后，心層試樣的性能皆達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)。需要指出的是，AMS 4206A標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)7055鋁合金板材性能進(jìn)行分層測(cè)試，由文獻(xiàn)[25]可知，目前對(duì)中厚板強(qiáng)度的評(píng)價(jià)主要以板材中心層的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，因此可以推斷，AMS 4206A標(biāo)準(zhǔn)給出的性能指標(biāo)也是以心層材料的力學(xué)和腐蝕性能為依據(jù)的，而本研究中的“非等溫回歸再時(shí)效”狀態(tài)的性能已達(dá)到或超過該標(biāo)準(zhǔn)水平，且有效地降低了板材厚向的性能不均勻性。

圖9 7055鋁合金中厚板不同層晶內(nèi)相回歸態(tài)的TEM像Fig.9 TEM images of(retrogression state)of transgranular precipitates in different layers of 7055 aluminum medium thick plate:(a)Surface,air cooling;(b)Center,air cooling;(c)Surface,force-air cooling;(d)Center,force-air cooling;(e)Surface,water cooling;(f)Center,water cooling

3 分析及討論

圖9所示為不同冷卻速率下7055鋁合金中厚板表層和心層晶內(nèi)相的典型形貌(回歸態(tài))。由圖9可知，晶內(nèi)回歸組織基本由η和η′組成。在空冷條件下，析出相在冷卻過程中發(fā)生了一定程度的粗化。同時(shí)，由于回溶產(chǎn)生的溶質(zhì)原子過飽和度的增加，使得冷卻過程中還出現(xiàn)一定程度的析出現(xiàn)象(類似再時(shí)效析出)。因此，在回歸后空冷條件下，晶內(nèi)相既包含較為粗大的回歸未溶相和冷卻過程中粗化的析出相，同時(shí)也包含一定量細(xì)小的再次析出相(見圖9(a)和(b))。在回歸后水冷條件下，降溫速率極快，其微觀組織與回歸結(jié)束時(shí)相同，即保留較為粗大的回歸未溶相，但不會(huì)出現(xiàn)冷卻過程中析出相的長(zhǎng)大或者粗化。然而，極短的冷卻時(shí)間同時(shí)也抑制了冷卻過程中細(xì)小析出相的析出。因此，其析出相的密度較空冷條件下的低，而相平均尺寸較空冷條件下的大(見圖9(e)和(f))。在風(fēng)冷條件下，其冷卻速率介于空冷和水冷之間，因此晶內(nèi)同時(shí)包含較為粗大的回歸未溶相，一些冷卻過程中粗化的析出相和一定量細(xì)小的再次析出相(見圖9(a)和(b))。其密度和相平均尺寸也介于空冷和水冷之間。

再比較同一冷卻制度下，不同層的析出相差異。在回歸升溫階段，由于表層升溫快于心層的，因此，表層在升溫過程中的回歸程度高于心層的。在空冷條件下，其冷卻時(shí)間與回歸加熱時(shí)間基本相當(dāng)，約為25 min左右。在此階段，表層冷卻速度較心層快，因此，心層在170～190℃(回溶的有效溫度范圍)經(jīng)歷了相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，其回歸程度較表層的有一定增加。冷卻階段反向的回歸效果的差異在一定程度上補(bǔ)償了回歸加熱階段因?yàn)楸韺由郎剌^快而導(dǎo)致的回歸不均勻性。除此之外，表層和心層都出現(xiàn)一定量的細(xì)小再析出相。因此，經(jīng)空冷處理后，7055鋁合金晶內(nèi)析出相的密度、平均尺寸以及相尺寸分布范圍的不均勻性因升、降溫速率的相互補(bǔ)償而得到有效縮小。在水冷條件下，由非等溫回歸動(dòng)力學(xué)分析可知，其冷卻階段的回歸/粗化效果基本可以忽略不計(jì)，由回歸加熱溫度場(chǎng)不均勻性導(dǎo)致的高向析出不均勻性基本保留至冷卻組織，即表層相對(duì)心層的析出相更加的細(xì)小(表層的回歸程度較大)。風(fēng)冷條件下，雖然有一定的不均勻性補(bǔ)償，但是補(bǔ)償作用也很小，其不均勻性差異介于空冷和水冷之間。

圖10所示為不同冷卻速率下7055鋁合金中厚板表層和心層晶界相的典型形貌(回歸態(tài))。由圖10可知，各冷卻處理?xiàng)l件下，晶界相經(jīng)回歸處理后都經(jīng)歷了較大程度的粗化，但是表層晶界相的粗化和斷續(xù)程度都高于心層。在空冷條件下，心層降溫較慢，其晶界相的粗化比表層的明顯，彌補(bǔ)了升溫帶來(lái)的不均勻性。水冷時(shí)，由回歸加熱溫度場(chǎng)不均勻性導(dǎo)致的晶界相厚向析出不均勻性基本保留至冷卻組織，即表層相對(duì)心層的晶界相更加粗大和斷續(xù)。在風(fēng)冷條件下，晶界相的不均勻性介于空冷和水冷之間。隨著回歸冷卻速率的降低，晶界相的粗化程度逐漸增大(分別比較圖10(a)、(c)、(e)和圖 10(b)、(d)、(f))。

圖10 7055鋁合金中厚板不同層晶界相回歸態(tài)的TEM像Fig.10 TEM images of retrogression state of grain boundary precipitates in different layers of 7055 aluminum medium thick plate:(a)Surface,air cooling;(b)Center,air cooling;(c)Surface,force-air cooling;(d)Center,force-air cooling;(e)Surface,water cooling;(f)Center,water cooling

對(duì)本研究中實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可知，回歸后隨爐冷卻處理雖然可以最大程度的減小7055鋁合金中厚板高向析出不均勻性，但是該處理方式導(dǎo)致強(qiáng)化相嚴(yán)重粗化，大幅度降低合金的強(qiáng)度。風(fēng)冷和水冷雖然可以保留合金的強(qiáng)度，但是對(duì)厚向析出不均勻性的改善作用不明顯。采用空冷降溫可以有效地減小7055鋁合金中厚板厚向析出組織的不均勻性且保證合金的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1)固定回歸加熱速率(3℃/min)，7055鋁合金中厚板不同層的硬度隨著回歸冷卻速率的降低而降低，電導(dǎo)率隨著回歸冷卻速率的降低而提高。但是硬度和電導(dǎo)率的不均勻性都隨著回歸冷卻速率的降低而降低。

2)固定回歸加熱速率(3℃/min)，7055鋁合金中厚板厚向析出組織的長(zhǎng)大或粗化程度不均勻性隨著回歸冷卻速率的降低而降低。其中隨爐冷卻條件下其均勻性提高幅度最大，空冷效果其次，而水冷和風(fēng)冷條件對(duì)升溫階段產(chǎn)生的不均勻性的補(bǔ)償效果可以忽略不計(jì)。

3)7055鋁合金中厚板的強(qiáng)度隨回歸冷卻速率的降低而降低。隨爐冷處理雖然提高了7055鋁合金中厚板厚向析出組織以及電導(dǎo)率的均勻性，但是導(dǎo)致板材的強(qiáng)度大幅度下降，而空冷可在較大程度的減小強(qiáng)度損失的同時(shí)提高7055鋁合金中厚板厚向組織的均勻性。

4)優(yōu)化的“非等溫回歸再時(shí)效”制度為(105℃，24 h)+(190℃，70 min)(3℃/min升溫速率，70 min包含加熱時(shí)間)+(120℃，24 h)(空冷25 min至120℃)，經(jīng)“非等溫回歸再時(shí)效”處理后，7055鋁合金板材心層的抗拉強(qiáng)度，斷裂韌性及剝落腐蝕等級(jí)分別為619 MPa，24.7 MPa?m1/2和EB-，其強(qiáng)度的厚向不均勻性比常規(guī)回歸再時(shí)效處理下降約50%。

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